1940 februárjában Jill Esmond elvált Laurence Olivier-től és Holman is elvált Leigh-től, bár vele Leigh egész életében jó kapcsolatban maradt. Olivier fia, Tarquin, anyjánál, Esmondnál maradt, Leigh lánya, Suzanne, pedig Holman-nél. Augusztus 30-án Olivier és Leigh zárt körben házasságot kötöttek a kaliforniai Santa Barbarában – csak a tanúk, Katharine Hepburn és Garrison Kanin voltak jelen. Leigh remélte, hogy résztvehet majd Alfred Hitchcock A Manderley-ház asszonya (Rebecca) című új filmjében főszereplő férje mellett. A válogatásnál meg is jelent, de Selznick megjegyezte róla, hogy „nem tűnik megfelelőnek őszinteség, kor és ártatlanság tekintetében.”
Ezt a véleményt Hitchcock és Leigh mentora, George Cukor is osztotta. Selznick azt is megfigyelte, hogy amíg Olivier meg nem kapta a főszerepet, Leigh a legkisebb lelkesedést sem mutatta a szereppel kapcsolatban, ezért aztán Joan Fontaine-nek adta a szerepet. Az 1940-es Büszkeség és balítélet című film esetében hasonlóképpen elutasították Olivier mellől, így ezt a szerepet végül Greer Garson kapta meg. Az 1940-es Waterloo Bridge című filmben eredetileg együtt játszottak volna, de Selznick végül Olivier-t Robert Taylorra cserélte, aki akkoriban a Metro-Goldwyn-Mayer egyik legünnepeltebb férfiszínésze volt. Leigh nem akart férje nélkül játszani a filmben, de végülis elvállalta, és a szerepnek köszönhetően Leigh-nek a korábbinál még nagyobb híre lett Hollywoodban. A film hatalmas sikert aratott mind a közönség, mind a kritikusok körében, és a színésznőnek is ez lett a kedvenc filmje. Olivier és felesége ezután a Rómeó és Júlia közös előadására készült a Broadway-n. A New York Times ekkor cikkezni kezdett a kezdetben hűtlenségen alapuló kapcsolatukról, és szemükre hányták, hogy a második világháború elején nem tértek vissza azonnal a háború sújtotta Angliába, hogy valamiképpen segítsenek az országon. Általában a kritikusok is ellenségesen viszonyultak a broadway-i produkcióhoz. Brooks Atkinson egy alkalommal ezt írta a New York Times-ban: „Bár a fiatal Leigh és Olivier nagyon jól mutatnak egymás mellett, szerepeiket alig tudják eljátszani.”Ugyan a felelősség nagy része Olivier-re hárult, Leigh-t is érte kritika, például Bernard Grebanier tollából, akinek nem tetszett a színésznő „vékony boltoslány-hangja”. A pár majd minden vagyonát feltette erre a darabra, ezért a bukás anyagi katasztrófát jelentett számukra. Együtt játszottak az 1941-es Lady Hamilton (That Hamilton Woman) című filmben is, melyben Olivier Horatio Nelsont, míg Leigh Emma Hamiltont alakította. Nagy-Britannia ekkorra már belépett a háborúba; ez a film egyike volt azoknak a hollywoodi produkcióknak, melyek célja az volt, hogy felébresszék az amerikai népben a britek iránti szolidaritást.
A film népszerű volt az USA-ban is, de a Szovjetunióban még nagyobb sikere lett. Winston Churchill brit és Franklin Delano Roosevelt amerikai elnök együtt nézték meg a filmet egy zártkörű vetítés keretében. Churchill így szólt a jelenlévőkhöz: „Uraim, úgy gondoltam, a film talán érdekelni fogja önöket, mert ahhoz hasonló eseményeket láthatnak benne, amelyeket épp a napokban éltünk át.” Az Olivier házaspár ezután még hosszú ideig Churchill kedvence maradt, aki több alkalommal meghívatta őket vacsorákra és egyéb rendezvényekre. Leigh-vel kapcsolatban állítólag egyszer ezt is megjegyezte: „Istenemre, nagyszerű nő!”. A házaspár hamarosan visszaköltözött Angliába, majd Leigh Észak-Afrikában katonákat lelkesítő előadásokon lépett fel, egészen addig, amíg szűnni nem akaró köhögéssel és magas lázzal ágynak nem esett. 1944-ben tuberkulózist állapítottak meg nála, de néhány hetes kórházi kezelés után úgy tűnt, teljesen meggyógyult. 1945 tavaszán már a Caesar és Kleopátra című filmet forgatták, mikor kiderült, hogy terhes—nem sokkal később azonban elvetélt. Ekkor súlyos depresszióba esett. Depressziója mélypontján férjét egy alkalommal szóban és testileg is bántalmazni kezdte, majd zokogva a földre esett. Ez volt ez első nagyobb mániás-depressziós idegösszeroppanása (a betegség bipoláris hangulati depresszió néven is ismeretes). Olivier lassan megtanulta, hogy néhány napos hiperaktivitását általában egy közelgő depressziós időszak követi. Ez aztán rohamba torkollhat, de az eseményt elfelejti, és ha beszélnek róla, szégyenkezik és bűntudata van miatta.
1946-ra már annyira feljavult Leigh állapota, hogy játszani kezdett egy sikeres londoni produkcióban, Thornton Wilder The skin of our teeth című darabjában, de ekkor készített filmjeinek, a Caesar és Kleopátrá-nak (1945) és az Anna Kareniná-nak (1948) nem volt nagy sikere. 1947-ben Olivier-t lovaggá ütötték, és a szertartáson (amit a Buckingham-palotában tartottak) Leigh is jelen volt. Ezután ő lett Lady Olivier és ezt a címet válásuk után is, egészen haláláig használta. 1948-ban Olivier már az Old Vic Theater igazgatótanácsának tagja volt, és Leigh elkísérte férjét Ausztráliába és Új-Zélandra, színházi pénzgyűjtő körútjára. A hathónapos turné során Olivier a III. Richárd-ban is játszott; a The School for Scandal-ben and The Skin of Our Teeth-ben pedig együtt játszottak. A turnénak hatalmas sikere volt, és bár a színésznő álmatlansággal küszködött – betegsége ideje alatt egy hétig beugró színésznője helyettesítette –, általánosságban jól megfelelt a vele szemben támasztott követelményeknek. Olivier meg is jegyezte egyszer, milyen „ügyesen elbűvöli a sajtót”. A színtársulat tagjainak későbbi visszaemlékezései szerint a házaspár között ekkoriban több nézeteltérésre került sor. A legdrámaibb összeütközés turnéjuk közben történt.
Leigh megbokrosodott, és eldöntötte, hogy nem lép színpadra. Ekkor Olivier megpofozta, majd Leigh is Olivier-t; szitkozódi kezdett, aztán a veszekedés után mégis fellépett. A turné végére mindketten kimerültek és megbetegedtek. Olivier egy interjúban így nyilatkozott: „Lehet hogy önök nem tudják, de olyan ez most, mintha élőhalottakkal beszélgetnének.” Később azt mondta, hogy Ausztráliában „elvesztette Vivient”. A sikeren felbátorodva a pár megpróbált együtt fellépni a londoni West End-en ugyanezekkel a darabokkal és az Antigonéval, amihez Leigh ragaszkodott, mert szerette a tragédiaszerepeket. Leigh következő nagyobb szerepe Blanche DuBois volt a West Enden színre vitt A vágy villamosa című Tennessee Williams darabban. Miután Williams és Irene Mayer Selznick producer megnézték, hogyan alakított a The School for Scandal-ben és az Antigoné-ban, neki adták ezt a szerepet, és Olivier-t tették meg rendezőnek. A vágy villamosa nagy port vert fel, mert számos utalás van benne a homoszexualitásra, a szabadszerelemre, és a nemi erőszak sem hiányzik a darabból.
Hamarosan cikkezni kezdtek arról, szabad-e egyáltalán játszani, ami csak fokozta Leigh nyugtalanságát, de a darab fontosságába vetett hite mindvégig erős maradt. J. B. Priestley kifogásolta Leigh színészi játékát, Kenneth Tynan kritikus szerint pedig hiba volt Leigh-nek adni a szerepet, mivel szerinte „az angol színésznők túl jólneveltek ahhoz, hogy a színpadon érzelmeskedjenek”. Olivier-t és Leigh-t bosszantotta, hogy a darab sikerét részben a szenzácós történetnek köszönhette, és hogy a közönség nem látta meg benne a görög tragédiát, aminek tuljadonképpen szánták. Voltak azonban elkötelezett támogatói is, köztük Noël Coward, aki szerint Leigh „nagyszerűen alakított a darabban.” Számos színpadi fellépés után lefutott Leigh darabja, de hamarosan elkezdték forgatni annak filmváltozatát. Leigh tiszteletlen – és néha nem szalonképes – humorának is köszönhetően jó kapcsolatba került Marlon Brandóval, a film férfi főszereplőjével, de Elia Kazan rendezővel – aki színésznőként nem tartotta őt nagyra – akadtak nehézségei. Később Kazan megjegyezte róla: „nem volt túl tehetséges, de ahogy haladt a munka, csodálni kezdtem, mert a legnagyobb eltökéltség volt benne a kiváló teljesítményre, amit valaha színésznőnél láttam. Akár tűzön is járt volna azért, hogy javítson színészi játékán.” Leigh-t kimerítette a szerep és a New York Timesnak egy alkalommal ezt nyilatkozta: „Kilenc hónapig voltam DuBois színpadon, most már ő irányít engem”. A filmért ragyogó kritikát kapott; megkapta második Oscar-díját (legjobb színésznő), a brit film- és televízóművészeti akadémia legjobb női főszereplőnek járó díját (British Academy of Film and Television Arts, BAFTA), a New York-i filmkritikusok köre legjobb színésznőnek járó díját (New York Film Critics Circle Award for Best Actress), valamint egy Golden Globe-ra is jelölték. Tennessee Williams szerint Leigh mindent megvalósított a szerepben „amit látni szerettem volna, és sok olyat is amiről álmodni se mertem.” Ugyanakkor néhány évvel később Leigh így emlékezett vissza erre az időszakra: „Blanche DuBois alakítása az utolsó lökés volt az őrület felé.”
