1962年（昭和37年）
ヘルベルト・ヴェーナーの発案により、ブラントは党副議長の地位に就いた。
1963年（昭和38年）
6月26日のケネディの西ベルリン訪問の際、ブラントはケネディから「最大限の支援と評価」を受けた。
以前、市長と連邦首相の間で、ケネディ大統領と最初に握手するのは誰か、市内観光中に隣に座るのは誰かをめぐって意見の相違があり、両者の相互の反感が明らかになっていた。ブラント市長はシェーネベルク市庁舎前でケネディ大統領を出迎え、「我々は役職だけでなく、人としても歓迎する」と述べた。
その後、ケネディは西側世界の価値観について綿密に準備し、熱狂的に受け入れられた演説を行い、その中で「私はベルリン市民だ」と二度繰り返した。ブラントはケネディの演説がデタント政策の兆候となることを期待していたが、それは実現しなかった。
1961年の連邦選挙で、ブラントは初めて首相の座をコンラート・アデナウアーと争った。 ベルリンの壁が建設された翌日の1961年8月14日、アデナウアーはレーゲンスブルクでの選挙集会で、ブラントの亡命生活に言及し、対立候補を「ブラント別名フラーム」と呼んだが、この表現は彼の非嫡出子であることへの言及としても理解された。アデナウアーは8月16日にボンでこのフレーズを繰り返した。
1961年2月には早くも、ヴィルショフェンでフランツ・ヨーゼフ・シュトラウスは、ブラントの亡命生活（これは繰り返し個人攻撃や反逆罪の告発の口実として使われた）に言及し、「ブラント氏に一つだけ尋ねてもいいだろう。12年間外の世界で何をしていたのか？我々は中で何をしていたか知っている」と述べた。
その後も、彼は過去のことで中傷され、一方、元国家社会主義者たちは過去の行いを許された。保守系の報道機関は繰り返しブラントの過去を取り上げ、彼を攻撃するために利用した。よく知られている非難に加えて、1961年の選挙運動中には、彼の私生活が公の議論に利用された。1965年、ブラントは「この選挙運動は傷跡を残した」と述べた。
1961年9月17日の選挙で、SPDは得票率を4.4ポイント伸ばした。同時に、CDUは同様に大きな得票率を失い、絶対多数を失った。ベルリンでの情勢を受けて、ボンで全党連立政権、あるいは少なくとも大連立政権を樹立することについて検討が始まった。
連邦大統領 ハインリヒ・リュプケと連邦議会議長 オイゲン・ゲルステンマイヤーに加え、ブラントもこの考えの支持者の一人だった。ブラントをこの場合の外務大臣に任命するという案まで検討されたが、これはCDU/CSUが常に保持してきたポストだった。しかし最終的には、アデナウアーが勝利し、 FDPとの新たな中道右派連立政権を好んだ。
1964年（昭和39年）
亡くなったエーリヒ・オレンハウアーの後任としてドイツ社会民主党の連邦議長に就任し、1987年までその地位にあった。
1965年（昭和40年）
連邦選挙で再びSPDの筆頭候補として出馬したが、ルートヴィヒ・エアハルト首相に敗れた。落胆した彼は一時的に連邦政治から身を引き、首相への再出馬を断念した。
1966年（昭和41年）
6月のSPD党大会では、426票中326票を獲得して再選。
12月1日にエアハルトが辞任した後、クルト・ゲオルク・キージンガー（キリスト教民主同盟）が首相に選出され、社会民主党との大連立政権を樹立。
ヴィリー・ブラントはベルリンの市長職を辞任し、外務大臣に就任、副首相となった（キージンガー内閣）。
1967年（昭和42年）
春、ボンのヴェーヌスベルクにある公邸に移り住み、そこで家族と7年間暮らした。
1969年（昭和44年）
9月の連邦議会選挙後、ヴィリー・ブラントは、大連立政権の継続を望んでいたヘルベルト・ヴェーナーとヘルムート・シュミットの意向に反して、 FDPと連立政権を樹立した。社会自由主義連立政権はわずか12議席の過半数を獲得した。
連邦議会は1969年10月21日、ブラントを連邦共和国史上4人目の首相に選出した。 ヴァルター・シェール（FDP）は副首相兼外務大臣に就任した。
「新東方政策（オストポリティーク）」という言葉は国際的に知られるようになり、「和解による変化」または「小さな一歩の政策」というスローガンの下、冷戦を緩和し、ベルリンの壁と東ドイツとの国境をより透過的にすることを目指した。
ブラント連邦首相府の国務長官エゴン・バールは、交渉される条約の主要な立案者となった。ニクソン、キッシンジャー、ポンピドゥーなどの外国の政治家から当初は懐疑的な意見もあったが、西側諸国はこの政策を支持した。
同時に、彼は社会、教育、法政策における国内改革にも関心を寄せていた。1969年10月28日の政府宣言で、ブラントは今後の政府の取り組みを「我々はもっと民主主義に挑戦したい」というモットーの下に置いた。これはすぐに、戦後の国内停滞を克服するであろう、多くの人々が期待する社会覚醒のキャッチフレーズとなった。ブラントは就任演説の最後にこの例に倣い、「我々は民主主義の終わりにいるのではなく、始まったばかりなのだ」と述べた。
1969年に発表された一連の国内改革は、教育から始まり、住宅、都市開発、そして交通機関へと及んだ。教育における機会均等の拡大は、低所得家庭の学生に対する財政支援の法的権利を初めて確立した連邦訓練支援法（BAföG）によって実現された。労働憲法も、当時のニーズを反映させるために包括的に改正された。
1970年（昭和45年）
3月19日、ヴィリー・ブラントは西ドイツ首相として初めて、東ドイツの政治家、すなわち東ドイツ閣僚会議議長の ヴィリー・シュトフと公式会談を行った。当時、西ドイツは東ドイツを対等かつ独立した国家としてまだ承認していなかった。
「エアフルト首脳会談」の開催地であるエアフルトは、ベルリン問題に関する見解の相違から両者が東ベルリン問題で合意できなかったため、プロトコルに基づく妥協の地となった。ブラントが宿泊していたエアフルター・ホーフ・ホテルの外では、大勢の群衆が明らかにブラントに向けて大声で叫び、東ドイツ当局を苛立たせた。
シュトフは1970年5月21日にカッセルを再訪した。
8月12日、ヴィリー・ブラントはモスクワでドイツ連邦共和国とソビエト連邦の間でモスクワ条約に署名した。この条約では、両国がドイツの戦後国境の不可侵性を認め、これはデタント政策における最初の重要な文書となった。
12月7日にドイツ連邦共和国とポーランド人民共和国の間でワルシャワ条約締結。これによりオーデル・ナイセ線が両国の国境として正式に認められた。ブラントがワルシャワの1943年ワルシャワ・ゲットー蜂起記念碑の前で象徴的にひざまずいたことは、世界的な注目を集めた。
ワルシャワでの予定には2つの献花式が含まれていた。最初は無名戦士の墓前で。そこで私は、暴力と裏切りの犠牲者たちを偲んだ。世界のテレビや新聞には、私がひざまずいている写真が掲載された。それは、ワルシャワのユダヤ人ゲットーとその犠牲者に捧げられた慰霊碑の前での私の姿だった。私はしばしば、あの仕草の意図は何だったのか、事前に計画されていたのかと尋ねられた。そうではなかった。
私の親しい同僚たちは、私と一緒にいた記者やカメラマンたち、そして式典に「物語」を見出せなかったために出席しなかった人々と同じように驚いていた。
私は何も計画していなかったが、滞在していたヴィラノフ城を後にした時、ゲットー記念碑の並外れた意義をどうしても伝えなければならないという思いに駆られていた。ドイツ史の深淵の底から、何百万もの虐殺の犠牲者の重荷を背負いながら、私は言葉を失った時に人間がするであろうことをしたのだ。
20年経った今でも、私はある記者の言葉をそのまま引用するしかない。
「ひざまずく必要のない者がひざまずいた。ひざまずく必要がありながら、勇気がない、あるいはひざまずくことができないすべての人々のために。」
12月17日、バールと東ドイツのミヒャエル・コール国務長官は、ボンにある連邦大統領官邸で通過協定に署名した。この協定は西ベルリンとの間のアクセスルートの使用を規定し、1972年6月3日に発効。
1971年（昭和46年）
東方政策でノーベル平和賞を受賞。12月11日にオスロ大学で行った講演で、ブラントは目標は「戦争を制限するだけでなく、戦争を廃止することである。[…]なぜなら、不安は極度の非合理性の別の言い方になっているからだ。戦争はもはや究極の合理性ではなく、究極の非合理性である」と説明した。
ブラントは、CDU/CSUの反対派の大多数の断固たる抵抗に逆らってヴァルター・シェールと共にこの「新東方政策」を実行し、「ヨーロッパのデタント」を目指した。
国内政策では、医療、傷害、そして特に年金保険の改善、さらに教育支出の増加は連邦予算に大きな負担をかけ、 1971年にアレックス・メラー財務大臣が辞任するに至った。同じ理由で、後任の カール・シラー経済財務大臣も翌年、政権を去った。両者とも、ブラント首相から十分な支援を受けていないと感じていた。
1972年（昭和47年）
12.21 東ドイツとの基本条約の交渉が行われ、この条約によって初めて両ドイツ国家間の関係が条約ベースで確立され、この日に署名された。この条約は野党との間で激しい交渉の対象となった。主な争点は、東ドイツが国際法上の承認を求める要求をどの程度満たすことができるかであった。チェコスロバキアとの協定が続いた。
1972年の「急進派令」は、過激派政党や団体のメンバーを公務員として雇用することを禁じるもので、左派の批評家から激しく批判され、ブラント自身も後にこれを重大な過ちだったと述べた。
1972年初頭、政府は中絶の部分的非犯罪化（適応モデル）の草案を提出したが、立法期間の早期終了のため連邦議会で採決されることはなかった。
ブラント政権が発足してから1972年までの間に、元連邦大臣のエーリッヒ・メンデ（FDP）を含む多くのSPDとFDPの国会議員がCDU/CSUの議会グループに移籍したため、CDU/CSUの議会グループは理論上、僅差の絶対多数を占めていた。
そのため、CDU/CSUの議会グループリーダーであるライナー・バルツェルは、1972年4月に建設的な不信任決議によってヴィリー・ブラントを交代させることができると信じていた。しかし、彼は首相に選出されるには2票足りなかった。
少なくとも2人のCDU/CSUの国会議員、すなわちユリウス・シュタイナー（CDU）とレオ・ワグナー（CSU）は、東ドイツの国家保安省（シュタージ）からそれぞれ5万ドイツマルクの賄賂を受け取った。
しかし、SPD/FDP連立政権は連邦議会で過半数を維持できなくなったため、ブラントは1972年9月に信任投票を実施した。連邦大臣らは合意通り棄権したため、信任投票は否決され、グスタフ・ハイネマン連邦大統領は ブラントの意図通りに連邦議会を解散することができた。
長く集中的で、非常に動員力のある選挙運動により、1972年の解散総選挙では、 連邦議会選挙史上最高の投票率91％を記録した。ブラント政権の両党は議席を増やし、SPDは45.8 ％の得票率で初めて連邦議会最大の会派となった。この結果は、議会による批准への道が開かれた東方政策条約に対する国民投票として海外でも解釈された。
1972年の連邦議会選挙での勝利はブラントにとって最大の政治的成功であったが、エゴン・バールなどの同時代の観察者は、「この最高潮は明らかに最高潮であり、それ以降は下り坂だった」と同意している。ブラントの政治的疲労は、2期目の政権に対する高い期待と重なった。
1973年（昭和48年）
6月7日から11日にかけて、ヴィリー・ブラントは、1965年の外交関係樹立後、初めてイスラエルを訪問したドイツ首相となった。1970年には、アバ・エバンが西ドイツを訪問した最初のイスラエル外相となり、同年後半にはヴァルター・シェール外相がイスラエルを再訪した。
2013年に公開された文書によると、ヴィリー・ブラントはイスラエル滞在中、ゴルダ・メイア首相からエジプトとの秘密の仲介を依頼されていたことが明らかになった。ブラントはエジプト大統領に対し、イスラエルは平和を望んでおり、「シナイ半島のすべて、半分、あるいは大部分」を望んでいるわけではないことを明確に伝えることになっていた。しかしブラントは、イスラエルの平和への願望に対する「好印象」を米国、フランス、ソ連に報告し、カイロでの直接和平交渉を望むメイアの意向を伝えるのは外務省に任せたが、それは実行されなかった。
1973年の イスラエルとアラブ諸国との第四次中東戦争の結果、いわゆる石油危機が発生し、連邦政府はその後、ドイツ全土で初めて4つの日曜日に自動車の運転を禁止した。これにより、ドイツのエネルギー供給の輸入依存が国民の注目を集めた。その後、燃料消費を削減するための技術的対策が自動車の重要なセールスポイントとなった。経済成長は引き続き低下し、失業率は上昇した。これは、ハインツ・クルンカー率いるÖTV労働組合が厳しい公共部門ストライキの後に交渉して勝ち取った高額賃上げ合意と相まって、ブラント氏の辞任の真の理由と見なされた。なぜなら、改革のための財政的余地が大幅に縮小されたからである。
ブラントは、西ドイツにおける環境政策の先駆者の一人である。1961年の連邦選挙運動の頃から、「ルール地方の青い空」を提唱していた。1972年の第22回リンダウ・ノーベル賞受賞者会議の開会式での演説「国際的な課題としての環境保護」の中で、ブラントは「我々の生態系の崩壊」について警告した。
1973年、彼の首相在任中に、連邦環境庁が初めて設立された。
1974年（昭和49年）
4月26日、連邦議会は僅差の多数決で、一定期間内の堕胎を非犯罪化する刑法第218条 を改正する法律を可決した。ブラント首相の辞任後、この法律は後任のヘルムート・シュミット首相によって署名された。長期間にわたり激しい議論を巻き起こしたこの新たな規制は、 1975年2月25日、連邦憲法裁判所によって違憲と判断された。その結果、1976年には、政府が1972年に作成した草案と同様の、適応症に基づくモデルが導入された。
5月4日から5日にかけて、バート・ミュンスターアイフェルのクルト・シューマッハー・アカデミー（当時はハウス・ミュンスターアイフェル） で開催されたSPDと主要労働組合幹部による定例会議において、ブラントは5月5日に出席したSPDの主要政治家に対し、首相辞任の意向を表明した。同氏は、当時ハンブルクに滞在していた連邦大統領グスタフ・ハイネマンに対し、5月6日夜に首席補佐官ホルスト・グラベルトを通じて辞任の書簡を届けさせた。
辞任の理由は、党務顧問としてブラントの側近の一人であった東ドイツのスパイ、ギュンター・ギヨームの正体が暴露されたことであった。ブラントは辞任によって、連邦政府内の職務怠慢の責任を負った。ギヨームは1年以上スパイ容疑をかけられていたにもかかわらず、首相の側近として行動を続けていた。ブラントは、ギヨームが東ドイツ出身であるというだけでスパイ容疑がかかったと考え、事態の深刻さを過小評価していた。
ブラントは後に、ヘルベルト・ウェーナーが彼を思いとどまらせなかったことが辞任の一因だと述べた。ウェーナーは否定したが、ブラントの辞任の決定的な要因は、スキャンダルそのものというよりも、むしろウェーナーが、うつ病を患う病弱なブラントは耐えられないと判断したことだったと一般的に考えられている。
ブラントがうつ病を患っているという主張は、主にウェーナーとシュミットが画策した党内陰謀の一環だった。ブラントの首席補佐官アルブレヒト・ミュラーによれば、この主張には全く根拠がなかった。ブラントは政敵による中傷キャンペーンに晒され、ウェーナーの見立てでは、来るべき選挙戦でそれに耐えることはほとんど不可能だっただろう。
ブラントは多くの女性と不倫関係にあり、アルコール依存症であると噂されていた。さらに、連邦刑事庁（BKA）長官のホルスト・ヘロルド氏や連邦憲法擁護庁（BfV）長官のギュンター・ノラウ氏をはじめとする関係者からは、これらのスキャンダルによってドイツ首相が恐喝の標的になる可能性があるとの懸念が示された。
ヴィリー・ブラントの後任として首相に就任したのは、財務大臣のシュミットだった。シュミットは、首相指名に驚いたと述べ、主に義務感から就任を受諾した。ヴィリー・ブラント自身は、シュミットの任期中はもちろん、その後も（1987年まで）SPD党首を務めた。シュミットは首相在任末期に、党首も兼任しなかったことを後悔していると述べ、これが自身の失脚の一因となったと指摘した。
1976年（昭和51年）
この年から1992年9月17日まで社会主義インターナショナルの議長を務めた。
彼は1979年7月17日から1983年3月1日まで欧州議会議員であった。
1977年（昭和52年）
4月、世界銀行総裁の ロバート・マクナマラは、ブラントに対し、「国際開発問題に関する独立委員会（南北委員会）」の委員長就任を提案。約3年間の審議を経て、委員会は 1980年2月12日にニューヨークで南北報告書を発表した。この報告書は一般に「ブラント報告書」として知られるようになった。
1978年（昭和53年）
11月15日、心臓発作を起こし、6か月間政治活動ができなかった。
1979年（昭和54年）
7月7日、ブラントはオーストリアのブルーノ・クライスキー首相とともに、ウィーンでパレスチナ解放機構（PLO）のヤーセル・アラファト議長と会談し、意見交換を行った。
1980年（昭和55年）
2.12 「ブラント報告書」発表。
1983年（昭和58年）
10.22 ボンで行われた平和デモでNATOの二重決定を批判し、「ドイツには大量破壊兵器は必要ない、必要なのは減らすことだ」と述べた。
ブラント報告書のアップデート版「Common Crisis」発表。
1984年（昭和59年）
10月15日、キューバのフィデル・カストロ大統領と会談。同年、ブラントは鄧小平とミハイル・ゴルバチョフとも会談。
1985年（昭和60年）
9月19日、東ベルリンで東ドイツ国家会議議長のエーリッヒ・ホーネッカーと会談。
1987年（昭和62年）
3.23 新設された党報道官の候補者としてギリシャ出身のマルガリータ・マティオプロスを指名したことが党内から厳しい批判を浴びた後、SPDの議長を辞任。
6.14 臨時党大会で終身名誉議長に選出。後任の党議長はハンス＝ヨッヘン・フォーゲル。
ブラントは連邦議会議員の地位を維持し、1983年の連邦選挙後、当時2番目に高齢だったにもかかわらず、初めて最年長議員として連邦議会の開会式を主宰した。実際の最年長議員であるエゴン・フランケはこの栄誉を辞退し、ブラントに開会式を任せた。1987年と1990年の連邦選挙後も、ブラントはそれぞれの選挙で最年長議員として開会式を主宰した。
1989年（平成元年）
1.20 連邦大統領リヒャルト・フォン・ヴァイツゼッカーは、ヴィラ・ハンマーシュミットでヴィリー・ブラントの75歳の誕生日を祝う祝賀会を主催。多くの友人、同僚、政治家が出席。
11.9 ベルリンの壁崩壊。翌日、ベルリンを訪れ、インタビューで「今、私たちは本来一緒にあるべきものが再び一緒に育っている状況にある」と述べた。
1989年11月10日、私はシェーネベルク市庁舎前で開かれた集会で、モンパー市長、コール連邦首相、ゲンシャー外務大臣と会談した。1961年8月、同じ場所で市民の深い失望を代弁しなければならなかったことを思い出した。事態は昔ほど単純ではなかった。外部からの脅威に抵抗する必要も、分断の壁に立ち向かい、決意や復興の努力を阻まれないようにと自らを奮い立たせる必要もなかった。
数え切れないほどの再会を目の当たりにし、深く感動した私は、街が攻撃性の痕跡もなく、自発的な喜びに満ち溢れているのを見た。長きにわたり、多くの言葉で訴えられてきた団結は、「下から」押し寄せ、それは分断された家族の再会以上の意味を持っていた。私は大きな安堵感に包まれ、これから待ち受ける課題を克服できるという希望が胸に込み上げてきた。
私の心は1961年8月のあの日に遡った。あれから私たちはどれほど長い道のりを歩んできたことだろう。私たちは壁の撤去を求めるだけでは満足しなかった。ベルリンは壁があっても生き残らなければならない、そして私たちとベルリンの間には多くの深い分断があるにもかかわらず、私たちの国はヨーロッパの義務という枠組みの中で一つにまとまっていなければならない、と自らに、そして他者に言い聞かせてきたのだ。
そして今、私たちは再びシェーネベルク市庁舎の外、1963年にジョン・F・ケネディにちなんで名付けられた広場に立っていた。今回は「向こう側」からも何千人もの人々がそこに集まっていた。彼らに語りかける時、私は涙を流すことを恥じなかった。そしてその後、感謝の気持ちを表す多くの手紙や電話をいただき、深く感動した。
大きな一歩を踏み出すことができない間、小さな一歩を踏み出すことで、分断の厳しい影響を和らげることが重要だった。今となっては、それを否定する人はほとんどいないだろう。そして今になって初めて、私たちはそれらの小さな節目がどれほど重要だったのかを真に理解しているのだ。もし家族が再会できないとしたら、国家はどうなってしまうのだろうか。
11月のベルリンの午後、私はこう言った。「ドイツ人は誰も予想だにしなかった形で一つになりつつあり、壁の両側の人々が新たな関係の中でどのように歩んでいくのか、今となっては誰も正確に知っているとは言えません。重要なのは、彼らが自由の中で一つになれるという事実です。そして、ドイツのもう一方の地域では、何もかもが以前と同じではなくなることは確実です」と私は言った。
「しばらく前からヨーロッパを吹き抜けている変化の風は、ドイツを通り過ぎることはできません。コンクリート、有刺鉄線、武装パトロールによる分断は、歴史の流れに逆行するものだと、私は常に確信してきました。」夏に紙に書き留めた言葉を思い出すと、大きな内なる満足感を覚えた。「ベルリンは生き続ける。そして壁は崩れる。」
1990年（平成2年）
11.9 イラク大統領サダム・フセインから解放を取り付けた175人の人質を連れてドイツに帰国。
1991年（平成3年）
6.20 連邦議会は、一部はヴィリー・ブラントの要請により、ボンからベルリンへの部分的な首都移転を決定（首都決議）。
10.4 腸に腫瘍が見つかり、10月10日に摘出。
1992年（平成4年）
2月1日、ハイデルベルクでドルフ・シュテルンベルガー賞を受賞。
4月、シュレースヴィヒ＝ホルシュタイン州議会選挙後のリューベックでのSPDの閉会集会での演説。これが最後の公の場の登場となる。
5月9日、ビルト紙の 編集者ウルリッヒ・ローゼンバウムに最後のインタビュー。
5月10日、ケルン大学病院に再入院し、 1992年5月22日に別の手術を受けた。しかし、転移が広範囲に 及んでいることが判明したため、手術は10分後に中止された。
5月30日、退院し、妻（三番目の妻ブリジット）とともにウンケルの自宅に戻る。
9月20日、ミハイル・ゴルバチョフが予告なしにブラントを訪ねようと家のインターホンで「ゴルバチョフ」と名乗ったところ、ブラントの妻はそれを悪質な冗談だと思い、訪問者の入室を拒否した。
10月8日、自宅にて死去。享年78歳。
10月17日、連邦議会は国葬で彼を記念した。
ヴィリー・ブラントの名誉墓は、ベルリンのツェーレンドルフ森林墓地 のVII-W-551/552区画にあり、 1948年から1953年までベルリン市長を務めたブラントの前任者エルンスト・ロイターの名誉墓の隣にある。ブラントの二番目の妻ルートも森林墓地に埋葬されている。
