Родился в Баварии, в семье военного. Военную карьеру начал в 1895 в качестве фанен-юнкера в 4-м Баварском полку полевой артиллерии. В марте 1897 произведён в лейтенанты. Первое боевое крещение прошел в Китае в 1900, участвуя в подавлении восстания боксеров. С августа 1900 по сентябрь 1901 командовал взводом 1-й горной батареи Восточно-Азиатского полка полевой артиллерии.
В 1909 окончил Баварскую военную академию.
В марте 1912 произведён в капитаны, с марта 1914 — зам. начштаба 1-го Баварского армейского корпуса.
До марта 1915 — зам. начштаба 1-го Баварского армейского корпуса, затем — нач. опер. отдела штаба 11-й Баварской пехотной дивизии, воевавшей на Западном фронте, а также в Галиции, Сербии и Румынии.
В мае 1916 получил звание майора и удостоился рыцарского титула от германского кайзера.
С марта 1917 — в штабе армейской группы кронпринца Рупрехта Баварского.
Награждён Железными крестами обеих степеней и ещё одиннадцатью орденами Германии, Австрии и Турции.
В 1919 служил в военном министерстве Баварии, затем в министерстве рейхсвера. В декабре 1920 получил звание подполковника. С 1921 — начштаба дивизии, в 1924—1926 — командир батальона артполка, в 1926—1928 — командир артполка (полковник), в 1928—1930 — нач. артиллерии военного округа (с февраля 1929 — генерал-майор, с декабря 1929 — генерал-лейтенант).
С февраля 1930 по октябрь 1933 — командир 7-й пехотной дивизии, командующий 7-м военным округом и военный комендант Баварии.
С октября 1933 по февраль 1938 — командующий 2-й группой войск (Кассель).
В январе 1934 получил звание генерала артиллерии.
В феврале 1938 по требованию Гитлера ушёл в отставку в связи с «делом Бломберга-Фрича».
В июле 1938 возвращён на службу и назначен командующим 12-й армией, которая вторглась в Чехословакию и захватила Судеты (территория Чехии с компактным проживанием немецкого населения).
Опубликовал труд по военной науке под названием «Оборона».
В 1939 командующий группой армий «С», за Польскую кампанию награждён планками к Железным крестам (повторное награждение), в ноябре 1939 произведён в генерал-полковники.
В 1940 во главе группы армий «С» участвовал во Французской кампании, за что получил Рыцарский крест и звание генерал-фельдмаршал.
В 1941 с началом вторжения в СССР принял командование группой армий «Север», которая за 2 месяца подошла к Ленинграду, блокировав его от Финского залива до Ладожского озера.
В 1942, 16 января — 66-летний фельдмаршал фон Лееб отправлен в резерв Главнокомандования сухопутных сил.
2 мая 1945 взят в плен американскими войсками. Был судим по обвинению: «Соединенные Штаты Америки против Вильгельма фон Лееба — „приказ о комиссарах“».
В октябре 1948 приговорен к 3 годам заключения как военный преступник. Поскольку фон Лееб отсидел уже 3 с половиной года, был отпущен на свободу. После освобождения престарелый фельдмаршал вернулся в Баварию, в Хеншвангау, где и умер 29 апреля 1956 года в возрасте 79 лет.