Hamarosan Nürnbergbe vitték, ahol több náci vezetővel együtt perbe fogták. Keitelnek bizonyított szerepe volt az európai államok elleni agresszió előkészítésében. Nevéhez fűződik hírhedt „komisszárparancs” kiadása, amelynek értelmében az elfogott politikai komisszárokra kivégzés várt. Keitelre a bíróság halálos ítéletet mondott ki 1946. október 2-án. Fellebbezését és a francia kegyelmi kérvényt (mely szerint katonaként golyó általi halált kellene halnia) elutasították. Wilhelm Keitelt 1946. október 16-án felakasztották. A nyakára a hurkot az amerikai Woods őrmester helyezte fel.