Генрих Леманн-Вилленброк родился в Бремене в 1911 году. В 1931 году в звании морского кадета Генрих вошёл в состав рейхсмарине, где проходил службу на лёгком крейсере «Карлсруэ» и учебном паруснике «Хорст Вессель», пока в апреле 1939 года не был переведён во Флотилию подводных лодок. После службы вахтенным офицером на «каноэ» U-8 типа IIB Леманн-Вилленброк получил звание капитан-лейтенанта и в декабре 1939 года вступил в должность командира такой же малой U-5 типа IIA.
Первый поход, продлившийся 15 суток и закончившийся безрезультатно, Леманн-Вилленброк совершил во время операции «Хартмут» по вторжению германских войск в Норвегию. После возвращения из похода он получил под своё командование только что построенную среднюю лодку U-96 типа VIIC. После трёхмесячной подготовки и обучения экипажа U-96 под командованием Генриха Леманна-Вилленброка начала совершать боевые походы в Атлантику. Только за первые три похода были потоплены суда суммарным водоизмещением 125 580 брт. В марте 1942 года Леманн-Вилленброк покинул U-96 и принял командование 9-й флотилией кригсмарине, базировавшейся в Бресте. В марте 1943 года получил звание корветтенкапитана. В сентябре 1944 года принял командование U-256 и перевёл её в Берген.1 декабря 1944 года получил звание фрегаттен-капитана, тогда же, в декабре, принял командование над базировавшейся в Бергене 11-й флотилией подводных лодок кригсмарине и пробыл на этом посту до окончания войны. После года в лагере для военнопленных Леманн-Вилленброк с мая 1946 года занимался разделкой на металл затопленных в Рейне кораблей. В 1948 году вместе с тремя товарищами построил парусник «Магеллан», после чего они вчетвером пересекли Атлантику и достигли Буэнос-Айреса, где приняли участие в регате.
Леманн-Вилленброк ходил капитаном на торговых судах. В марте 1959 года, в должности капитана транспорта «Инга Бастиан», Леманн-Вилленброк со своим экипажем спас 57 моряков с горящего бразильского судна «Комманданте Лира». В 1969 году он стал капитаном единственного германского атомного корабля — исследовательского судна «Отто Ган» и пробыл в этой должности более десяти лет.
За выдающуюся послевоенную службу он был в 1974 году награждён Федеральным Крестом Почёта на ленте (Bundesverdienstkreuz am Bande). Долгие годы Леманн-Вилленброк был главой Общества подводников Бремена (U-Bootskameradschaft Bremen), его имя общество носит до сих пор.
В 1981 году Вилленброк выступил в роли советника при съёмках фильма «Das Boot» о походе своей U-96. Впоследствии вернулся в родной Бремен, где и умер в 1986 году в возрасте 74 лет.