Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Craig Benson slutade tvåa, med samväldet mästare och pre-race favorit Ross Murdoch tredje i Glasgow.
London 2012 silvermedaljör Michael Jamieson var femte i vad som kunde vara den sista loppet av sin karriär.
"Det här betyder så mycket. Det är ett så bra fält," Willis, 25, berättade BBC Sport.
Han är femte simmare att hantera en Rio 2016 kvaltid, efter Adam Peaty, Hannah Miley, James Guy och Max Litchfield.
Willis, som vann på två minuter 8.08 sekunder - inom kvaltiden på 2:08.52 - nådde London 2012 finalen och slutade tredje bakom Murdoch och Jamieson på 2014 Samväldesspelen.
"Jag förväntade mig Ross att gå snabbare, men styrkan i djupet kommer bara att hjälpa oss GB bröstsimatörer framsteg," Willis sade.
Murdoch är fortfarande osäker på en olympisk plats, efter att ha avslutat andra till Peaty i 100m på tisdag.
Siobhan-Marie O'Connor värmde upp för sin gynnade 200m individuella medley händelse på lördag med seger över Fran Halsall i 100m freestyle i 54.18 sekunder.
Två gånger Olympian Lizzie Simmonds vann 200m backstroke guld men hennes tid på 2:09.24 var nästan en sekund utanför kvaltiden på 2:08.21.
"Jag vet om jag får det stället att jag kan gå snabbare, som jag har gjort det i det förflutna", sade hon.
"Jag var fjärde vid de senaste olympiska spelen, så det kanske blir ett fall av tredje gången tur."
Freestyle specialist Guy följde upp sin 400m guld och olympiska plats från tisdag med seger i 100m fjärilen.
Han vann i 52.15 seks, som, även om utanför kvaltid 51.24, hoppas han kommer att förtjäna honom en plats i mäns 4x100m medley relä team för Rio.
"Förra året var vi fjärde [vid VM] och vi hoppas att med rätt mix kan vi potentiellt vinna en medalj i Rio," Guy berättade BBC Radio 5 live.
Om simmare inte uppnår kvaltiderna eller vinner valet för relähändelserna, måste de förlita sig på diskretionära val av GB-väljarna.
Laget för Rio kommer att utses den 21 april.
Andrew Willis producerade en fantastisk show för att vinna en överraskning 200m bröstsim guld vid brittiska rättegångar och säkra en plats vid Rio Olympics.