Боевое крещение солдаты Виллиха получили у железнодорожной станции Ровлетт, где они отбили атаку втрое превосходящего по численности врага, убив 33 противников и потеряв лишь 10 солдат. На следующий день он лично под огнём повёл свой полк в штыковую атаку в сражении при Шайло под звуки «Марсельезы». За это в июле 1862 года Виллих был произведен в бригадные генералы; он сражался в битве Перривилле под командованием генерал-майора Дона Карлоса Бьюэлла в Кентукки. В сражении на Стоунс-ривер Виллих возглавил атаку своих волонтёров, но конь под ним был убит, сам Виллих получил ранение и попал в плен к конфедератам. Он пробыл в тюрьме Либби в течение четырёх месяцев, после чего был возвращён северянам в ходе обмена пленными в мае 1863 года. Отличился в Таллахомской кампании; возглавлял дивизию в битве при Чикамоге и играл важную роль в осаде Чаттануги.