Im Zuge der Ausschaltung der politischen Opposition sperrten ihn die Nationalsozialisten Anfang Juni 1933 für einen Monat in das Konzentrationslager Osthofen. Dies führte ihm vor Augen, wie gefährdet er innerhalb Deutschlands war.
Nach der Entlassung flüchtete er ins Ausland, Stationen waren die Tschechoslowakei, Schweiz, Frankreich und Spanien. Er schmuggelte illegale Literatur und war als Kurier tätig. Er wurde von Gleichgesinnten unterstützt und geriet ins Fadenkreuz tschechischer, französischer, spanischer und Schweizer Behörden.
Die Emigration bedeutete nicht das Ende, sondern war der eigentliche Anfang seiner Widerstandstätigkeit. Illegale Gruppen mussten mit Propaganda- und Informationsmaterial versorgt werden. Wilhelm Lai schmuggelte größere Mengen illegaler Literatur über die streng bewachte Grenze.
Die Kommunistische Partei (KP) sah ihn für den illegalen Einsatz innerhalb Deutschlands vor: Im Juni 1934 nahm er an einem vierwöchigen Vorbereitungskurs in Kladno (im heutigen Tschechien) und anschließend an einem kurzen Lehrgang in Prag teil. Die Partei beauftragte ihn, den Kommunistischen Jugendverband in Sachsen wieder zu aktivieren. Im Oktober 1934 lebte er illegal in Leipzig, die KP sorgte für seinen Lebensunterhalt. Trotz vielfältiger Bemühungen konnte er keine Organisation aufbauen.
Im Januar 1935 erfuhr er, dass er von der Polizei beobachtet wurde, worauf er in die Tschechoslowakei emigrierte. Da ihm die Prager KP-Genossen wegen seiner Misserfolge in Sachsen Vorwürfe machten, beendete er seine Widerstandstätigkeit im Rahmen der KP. Auch die ihm angetragene Mitarbeit bei einer trotzkistischen Widerstandsgruppe lehnte Lai ab.
Nach kurzer Zeit erhielt er im Herbst 1935 ein Angebot, das einer Erpressung gleichkam. Der tschechoslowakische Nachrichtendienst nutzte seinen unsicheren Exilstatus aus und forderte ihn zur Mitarbeit auf. Er sollte militärische Aktivitäten im deutschen Grenzgebiet und Teilen Bayerns auskundschaften. In diesem Rahmen unternahm Lai illegale Fahrten nach München, Würzburg, Nürnberg, Regensburg und zu weiteren Ortschaften im Grenzgebiet. Unter der Agentennummer Z 1519 verfasste er mindestens acht Berichte, die später den Nationalsozialisten in die Hände fielen.
Außerdem sollte er im Januar 1936 einen deutschen Soldaten in die Tschechoslowakei locken. Den damit verbundenen Aufenthalt in Deutschland nutzte er, um in die Schweiz zu fliehen und entzog sich damit dem Einfluss des tschechoslowakischen Geheimdienstes.
Nach kurzem Aufenthalt reiste Lai weiter nach Frankreich. Hier hatte er in Romilly Kontakt zu ehemaligen deutschen Kriegsgefangenen, die während des Ersten Weltkriegs in Deutschland von seiner Mutter unterstützt worden waren. Mit deren Hilfe fand er einen Arbeitsplatz.
Im Oktober 1936 unterstützte er die spanischen Genossen im Bürgerkrieg. Später floh er 1939 nach Frankreich, wiederum nach Romilly. Die französischen Behörden nahmen ihn nach kurzem Aufenthalt fest und verurteilten ihn zu vier Wochen Gefängnis. Anschließend wurde er in ein französisches Lager eingewiesen. Während eines Transports in ein anderes Lager konnte er 1940 fliehen und in die Schweiz flüchten, wo ihn Angehörige der Sozialistischen Partei unterstützten.
Im Juli 1941 schoben ihn die Schweizer Behörden nach Frankreich ab. Wiederum gelang ihm die Flucht, diesmal über die französisch-spanische Grenze. Lais Versuch, sich nach Portugal durchzuschlagen, misslang. In Spanien wurde er festgenommen und in das Konzentrationslager "Miranda del Ebro" eingeliefert. Die deutschen Behörden beantragten seine Auslieferung, und das faschistische Spanien entsprach diesem Ansinnen: Am 16. Oktober 1942 wurde Lai an der Grenze den deutschen Behörden übergeben. Sämtliche Widerstandsaktivitäten im In- und Ausland seit 1933 bildeten die Grundlage der gegen ihn gerichteten Anklage. Er wurde am 1. Juli 1943 vom Volksgerichtshof zum Tode verurteilt.