Wilhelm Bittrich est né le 26 février 1894 à Wernigerode.
Bittrich se porte volontaire pour le service militaire en 1914. Il est affecté au Jägerbataillon Nr 7 (bataillon de chasseurs à pied no 7) et il est promu sous-lieutenant de réserve dès le 15 septembre 1915. En 1916, il se fait muter dans l’armée de l’air naissante et obtient les croix de fer de 2e et de 1re classes, en tant que pilote dans la Jagdstaffel 37 (escadrille de chasse no 37) et la Fliegerabteilung der Artillerie 226 (escadrille aérienne de l’artillerie no 226).
Juste après la Première Guerre mondiale, il entre dans le corps franc Freikorps Hülsen et, en 1920, il s’essaye en tant que courtier à la Bourse.
Le 29 décembre 1922, il se marie avec Käte Blume et s’engage l’année suivante dans la Reichswehr, l’armée de 100 000 hommes accordée à l’Allemagne par le traité de Versailles.
À partir de 1925, Bittrich travaille en tant que moniteur de vol dans le cadre de la reconstitution secrète de la Luftwaffe sur le sol soviétique.
Parallèlement, Bittrich s’engage dans la SS, sous le no 39 177 le 1er juillet 1932.
Bittrich adhère au NSDAP en fin de la même année, le 1er décembre, avec le no 829 700.
Bittrich participe à la création du 1er bataillon de la SS-Standarte Germania (I./SS-Germania).
Bittrich participe à l’invasion de la Pologne au sein de l’état-major de la Leibstandarte-SS Adolf Hitler où il doit assister Sepp Dietrich dans le commandement de son unité. Le 1er février 1940, il est muté à la direction de la SS (le SS-Führungshauptamt) dans le but de mettre au point des programmes de formation homogènes destinés à la nouvelle Waffen-SS (ex-SS-Verfügungstruppe).
Nommé au grade de SS-Oberführer dès le 1er septembre 1940, il obtient le commandement de la SS-Standarte Deutschland et est à nouveau affecté au front. Bittrich mène cette unité pendant la campagne de Russie jusqu’en octobre 1941, puis il est amené à prendre le commandement, en remplacement de Paul Hausser blessé, de la division SS Das Reich, alors en position devant Moscou.
Le 19 octobre 1941, il est promu SS-Brigadeführer und Generalmajor der Waffen-SS. En outre, pour la décision qu’il a prise lui-même de tenter de percer les lignes de défense de Moscou, il obtient la croix de chevalier de la croix de fer le 14 décembre 1941.
Le 1er mai 1942, il a pour mission de mettre sur pied la 8e SS-Kavallerie-Division Florian Geyer avec laquelle il se bat ensuite jusqu’au début de 1943 sur les fronts de l’Est et de la Méditerranée. À partir de février 1943, il est nommé à la tête de la 9e SS-Panzergrenadierdivision Hohenstaufen et il est promu le 1er mai 1943 au grade de SS-Gruppenführer und Generalleutnant der Waffen-SS.
Le 29 juin 1944, Bittrich succède à nouveau à Paul Hausser, cette fois en tant que commandant en chef du corps blindé. Cette unité combat sous ses ordres sur le front de Normandie dans la région de Caen et, vers les 20 et 21 août 1944, elle parvient, en dépit de lourdes pertes, à se dégager de la poche de Falaise et par la même occasion à dégager la 7e et la 5e armées blindées. Pour son mérite durant cette opération, Bittrich obtient le 28 août 1944 les feuilles de chêne pour sa croix de chevalier de la croix de fer, ceci après avoir été promu le 1er août 1944 au grade de SS-Obergruppenführer und General der Waffen-SS.
Le 17 septembre 1944, débute dans cette région l’opération aéroportée alliée Market Garden, avec le largage de parachutistes britanniques exactement sur la zone de stationnement du 2e SS-Panzerkorps. Le corps d’armée de Bittrich parvient à encercler la 1st Airborne Division britannique et à lui infliger de lourdes pertes. Ainsi, à la demande du médecin de la division de la 1st Airborne Division, Bittrich accepte, le 24 septembre 1944, un cessez-le-feu de deux heures pour laisser évacuer 2 000 blessés ennemis dans le but de les soigner au sein des hôpitaux militaires de campagne de la division britannique.
En février 1945, le corps d’armée de Bittrich est transféré vers la Hongrie, mais ne peut empêcher la percée de l’Armée rouge. La mission de défendre Vienne est alors confiée au 2e SS-Panzerkorps. Lorsque l’assaut soviétique sur la ville commence, le 2 avril 1945, Bittrich reçoit l’ordre du commandement suprême de la Wehrmacht (l’OKW) de tenir Vienne jusqu’au « dernier souffle ». Mais, le même jour, pour éviter la destruction de la vieille ville et l’anéantissement de ses propres divisions, il décide d’évacuer ses unités de la zone urbaine et les place derrière le canal du Danube
Battant en retraite, Bittrich se retire à l’ouest avec son corps d’armée et se rend aux Américains le 8 mai 1945.
En janvier 1948, les Américains livrent Bittrich aux autorités militaires françaises qui l’accusent de crimes de guerre commis en France. Il est interné à la prison des Baumettes à Marseille dans l’attente de son procès. Le 16 juin 1953, le procès commence devant un tribunal militaire français siégeant à Marseille, après que lui a été ôté le statut de « prisonnier de guerre ». Le chef d’accusation porte sur l’exécution par pendaison de 17 membres de la Résistance, près de Nîmes, par une compagnie de la Feldgendarmerie rattachée à la 9e SS-Panzerdivision Hohenstaufen, dont Bittrich était le commandant à l’époque. Au cours du procès qui dure sept jours, 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 militaires qui y avaient participé.
Bittrich est condamné à cinq ans de prison pour sa responsabilité en tant que commandant de la division, mais la peine est considérée comme ayant été purgée par la détention préventive. Son subordonné, un chef de peloton responsable des exécutions, est quant à lui condamné à vingt ans d’emprisonnement.
Bittrich est jugé une seconde fois en 1953 et condamné à nouveau à cinq ans de prison pour avoir toléré des pendaisons, pillages et incendies volontaires, mais il est acquitté à nouveau par une cour de Bordeaux et libéré en 1954.
Après sa libération, Bittrich s’installe en Bavière, près du lac de Starnberg. Il n’exerce plus d’activité professionnelle ensuite en raison de problèmes de santé et ne peut bénéficier d’une pension d’ancien militaire de la Waffen-SS : lui et sa femme sont alors contraints de vivre grâce à l’aide sociale accordée par la ville de Münsing.
À partir de 1957, il rejoint la HIAG, l’association d’entraide d’anciens SS. Il en devient le président à partir de 1977.
Il décède le 19 avril 1979 à Wolfratshausen.