Последний начал службу в Aufkl.Gr.Ob.d.L., известной также как группа Ровеля, в конце 1930-х гг. На самолете Do-215 без опознавательных знаков он летал в качестве штурмана и командира экипажа над Францией, Великобританией, Югославией, а позднее и над Советским Союзом. 12 июня 1941 г. Виллмс присутствовал на секретном совещании, состоявшемся в штабе 1-го воздушного флота. Там летчик был проинформирован о скором начале войны против СССР и задачах стратегической разведки. Это сообщение Виллмс воспринял с оптимизмом, так как оно как бы легализовало его положение. Теперь, если бы самолет-разведчик был бы сбит над вражеским тылом, он становился не шпионом и диверсантом, а военнослужащим, участвующим в боевых действиях. Накануне операции «Барбаросса» экипаж прошел переучивание на новый Ju-88D-2, который еще считался экспериментальной моделью.
Роковой ошибкой для опытного пилота Неелмайера стало решение снизиться до высоты 4000 м. В результате, когда самолет еще не успел начать аэрофотосъемку, поблизости появился вражеский истребитель. Сам Виллмс так описывал произошедшее:
Что касается Титоренко, то это был опытный кадровый летчик, начавший службу в 1939 г. В ходе советско-финской войны он совершил 79 боевых вылетов на И-16 и был награжден орденом Красного Знамени. Согласно рапорту Титоренко, после второй атаки у «Юнкерса» отвалилась консоль левого крыла, после чего тот начал падать. Он видел, как два члена экипажа выпрыгнули с парашютами, а третий зацепился стропами за хвостовое оперение и «вместе с самолетом ушел до земли». Этими двумя были Неелмайер и Виллмс. Вскоре последний уже медленно опускался на вражеский город. Немецкий летчик понимал, что вскоре неизбежно попадет в руки «врага, который не знает пощады». У него в голове даже мелькнула мысль застрелиться прямо в воздухе! Но желание жить пересилило, и через пару часов Виллмса уже допрашивали в советском штабе. МиГ-3 Титоренко тоже получил повреждения от ответного огня, но благополучно приземлился на своем аэродроме.
На следующий день – 7 июля – в район Ленинграда вылетел другой Ju-88D-2 «VB+KL», в котором в роли бортрадиста находился Макс Лагода. Экипаж получил задачу произвести аэрофотосъемку города, военно-морской базы в Кронштадте и всех аэродромов в этом районе. Летчики испытывали страх перед полетом, боясь повторить «военную судьбу» предыдущего экипажа. И едва не повторили! В районе Кронштадта самолет-разведчик был обстрелян из десятков зенитных орудий и с трудом избежал попаданий.