Hermann Willebrand studierte von 1835 bis 1838 in Berlin an der Bauakademie und legte 1839 die Prüfung als Baukondukteur ab. Noch während seiner Ausbildung wurde er Gehilfe des damaligen Hofbaumeisters Demmler.

1837 erhielt er den Auftrag zum Arsenalbau. Von 1843 bis 1857 war er Bauführer beim Umbau des Schweriner Schlosses. Im Jahr 1851 erfolgte seine Ernennung zum Hofbaumeister. 1853 wurde Willebrand zum Nachfolger des entlassenen Demmler berufen.

Die Ernennung zum Hofbaurat erfolgte 1857. Nach seinen Entwürfen wurden unter anderem das Gymnasium am Pfaffenteich, der Jägerhof und das Anna-Stift gebaut. Auch am Umbau des Neustädtischen Palais und des Schweriner Museums war er beteiligt.

Für seine Arbeit erhielt er 1882 anlässlich der Einweihung des Museums den Titel Ober-Hofbaurat.