Я.В. Виллие как военный врач участвовал более чем в 50 сражениях русской армии, подвергаясь смертельной опасности, «делал хирургические операции на самом поле битвы под выстрелами неприятельскими». Был трижды ранен. Вот один из эпизодов Аустерлицкого сражения 20 ноября 1805 г. в описании Г. Чулкова:
«По смущённым и растерянным лицам господ свиты Александр догадался, что сражение проиграно. Следуя за четвёртой колонной, он попал под неприятельский огонь. В нескольких шагах от него была ранена картечью лошадь лейб-медика Вилье. Свист холодного октябрьского ветра смешивался со свистом пуль. Мимо императора бежали батальоны, повернув спины к неприятелю. Александр оглянулся — свита рассеялась. За ним только ехал, переменив лошадь, Вилье и берейтор Ене. Император остановился и тотчас же был весь осыпан землёй. Это упало рядом неприятельское ядро. Вперёд уже нельзя было ехать. Беспорядочная толпа беглецов увлекла государя, и он очутился на опустевшем поле, покрытом трупами. Темнело, и лошадь несколько раз наступала на мертвецов. Неожиданно ров перерезал дорогу, и Александр, плохой ездок, никак не решался перескочить его по примеру берейтора. Наконец Ене ударил лошадь Александра, и они очутились по ту сторону рва».
Известна большая роль Я.В. Виллие в организации медицинской помощи в период Отечественной войны 1812 г., в частности, в Бородинском сражении, во время которого он оказывал первую помощь князю П.И. Багратиону.
Я.В. Виллие был автором множества инструкций, наставлений, положений и других документов, регламентировавших деятельность медиков в русской армии. Он издал и разослал всем военным врачам «Краткое наставление о важнейших хирургических операциях», к которому был приложен список необходимых хирургических инструментов. Им также были составлены документы, положившие начало находившейся под его непосредственным ведением медицинской части при Высочайшем дворе.
Большой заслугой Я.В. Виллие перед отечественной военной медициной является составление полевой фармакопеи, выдержавшей четыре издания. Внёс он также большой вклад в развитие высшего военно-медицинского образования в России — в течение 30 лет (с 1808-го по 1838 г.) был президентом Петербургской медико-хирургической академии, являлся одним из инициаторов издания «Военно-медицинского журнала», выходящего с 1823 г. по наши дни.
Правда, не все историки медицины однозначно положительно оценивают деятельность Я.В. Виллие на этом поприще. Например, В.О. Самойлов считает, что «30-летний период его президентства характеризуется самым низким уровнем научной продукции на протяжении всей истории Академии».
Находившийся подле императора в военных кампаниях и прикрывавший его от вражеских пуль и шрапнели, Я.В. Виллие приобрёл безграничное доверие Александра I. По его просьбе английский король пожаловал Виллие титул баронета. Об уважении императора к своему лейб-медику свидетельствует также факт, описанный почётным лейб-хирургом Д.К. Тарасовым.
8 октября 1823 г. во время манёвров в районе Новомиргорода четвёрка лошадей понесла, и коляска, в которой находились Виллие и Тарасов, опрокинулась. Виллие получил «перелом левой малоберцовой кости в верхней её трети, разрыв и растяжение связок коленного сустава и, по всему вероятию, разрыв и повреждение бедренного нерва, а также ушиб правого бока и давно страждущей печени». Положение Виллие было тяжёлым. 9 октября император Александр I посетил его, чтобы проститься, ибо не надеялся на его выздоровление. Лечение Виллие было поручено Тарасову, которому на содержание и разные издержки было выделено 10 тыс. рублей. Виллие, к счастью, выздоровел, но ещё долгое время с трудом передвигался на костылях. Царь поблагодарил Тарасова за его искусство и особенно за попечение о Виллие и пожаловал ему Владимирский крест.