Après la dissolution en 1933 du centre d'aviation allemand en URSS par le ministère de l'armement, Bittrich entre en 1934 dans la SS avec le grade de SS-Untersturmführer (sous-lieutenant). La direction de la SS travaille déjà, à cette époque, à la formation d'unités SS armées, les SS-Verfügungstruppen, et a besoin, de ce fait, d'experts militaires. Bittrich participe à la création du 1er bataillon de la SS-Standarte Germania (I./SS-Germania) et connaît une carrière fulgurante dès avant l'éclatement de la Seconde Guerre mondiale. Le 1er octobre 1936, il est promu SS-Sturmbannführer (major) et, le 30 janvier 1938, il est promu SS-Obersturmbannführer (lieutenant-colonel). La même année, il prend le commandement de la SS-Standarte Deutschland (I./SS-Deutschland). Le 1er juin 1939 suit sa promotion au grade de SS-Standartenführer (colonel).
En janvier 1948, Bittrich est livré aux autorités militaires françaises qui l'ont condamné pour des crimes de guerre en France. Le procès commence, après que lui a été ôté le statut de "prisonnier de guerre", le 16 juin 1953, devant un tribunal militaire français à Marseille. Le chef d'accusation porte sur l'exécution de 17 membres de la Résistance, près de Nîmes, par une compagnie de la Feldgendarmerie de la 9e SS-Panzerdivision Hohenstaufen, dont Bittrich était le commandant à cette époque. Au cours du procès, il est reconnu que Bittrich n'a eu connaissance de cette exécution qu'après les faits et qu'il a demandé des sanctions à l'encontre des soldats qui y avaient participé. Bittrich est condamné à cinq ans de prison pour sa responsabilité envers sa troupe en tant que chef de corps, mais il est libéré, cette peine étant déjà purgée. Son subordonné, co-accusé responsable de l'exécution, est condamné à 20 ans de prison.
Après sa libération Bittrich s'installe en Bavière, près du lac de Starnberger See. Il n'exerce plus de profession.
Le 19 avril 1979, Wilhelm Bittrich meurt à Wolfratshausen.