Als Oberstleutnant beauftragte man ihn am 4. Januar 1866 zunächst mit der Führung des Neumärkischen Dragoner-Regiments Nr. 3 und ernannte Willisen am 3. April zum Regimentskommandeur. Diesen Verband führte er im gleichen Jahr während des Krieges gegen Österreich in den Schlachten bei Münchengrätz und Königgrätz sowie dem Gefecht bei Blumenau. Nach dem Friedensschluss erhielt Willisen das Komtur des Königlichen Hausordens von Hohenzollern mit Schwertern und avancierte am 31. Dezember 1866 zum Oberst.