Richthofen quitta le service actif au début de l'année 1920 avec le grade de Oberleutnant (lieutenant). Il fit ensuite des études de mécanique à l'école technique supérieure de Hanovre jusqu'à l'obtention de son diplôme d'ingénieur en 1923. En novembre 1923 Richthofen réintégra l'armée à Ohlau, avec le grade de sous-lieutenant dans le 11 régiment de cavalerie de la Reichswehr, l'armée allemande de la République de Weimar.
Il ne resta que peu de temps dans cette unité, car il participa déjà à cette époque à la reconstitution secrète de la Luftwaffe.
Depuis 1925 il avait à nouveau le grade de lieutenant et, le 1 novembre 1928, il devint le commandant de la 5 compagnie de transport. Le 1 février 1929 il fut nommé Hauptmann (capitaine). En parallèle, Richthofen continua de suivre des cours à l'école technique supérieure de Berlin pour effectuer un doctorat.
En avril 1929, Richthofen fut détaché pour une période de deux ans et demi à l'ambassade d'Allemagne à Rome, en tant qu'attaché militaire, pour y étudier, toujours officieusement, l'armée de l'air italienne. Après son retour en Allemagne, il fut à nouveau affecté à un poste de commandant d'une compagnie de transport. Il occupa ce poste jusqu'au 1 octobre 1933, date à laquelle il entra dans la nouvelle Luftwaffe.
Au début, Richthofen fut affecté au ministère de l'aéronautique en tant que chef du département de recherches. Ensuite il fut promu au grade de Major (commandant) en 1934, puis, en 1936, au grade de Oberstleutenant (lieutenant-colonel). La même année il alla en Espagne en tant que chef d'état-major de la Légion Condor pour participer à la guerre civile espagnole (notamment lors du bombardement de Guernica du 26 avril 1937).
En octobre 1937, après son retour d'Espagne, Richthofen fut nommé colonel en janvier 1938. Le 1 avril il prit le commandement de la 257 escadre de bombardiers à Lüneburg. Dès le 1 novembre il fut nommé au grade de Generalmajor (Général de brigade aérienne) et il fut à nouveau envoyé en Espagne, cette fois-ci en tant que commandant en chef de la Légion Condor, dont la mission s'arrêta en mai 1939.