Einem größeren Publikum bekannt geblieben ist Leo Wohlleb im Zusammenhang mit der Badenfrage, die zwischen 1948 und 1952 politisch aktuell war und bis heute teilweise die Gemüter erhitzt.

Am 1. Juli 1948 überreichten die Militärgouverneure der drei westlichen Besatzungszonen den Ministerpräsidenten die Frankfurter Dokumente, welche die Gründung eines westdeutschen Teilstaats herbeiführen sollten. In Dokument Nr. 2 wurden die Ministerpräsidenten beauftragt, die nach Kriegsende gezogenen Ländergrenzen einer Überprüfung zu unterziehen und präzise Vorstellungen darüber zu entwickeln, welche Grenzänderungen erforderlich waren, um nach Flächen und Einwohnerzahlen unter sich möglichst ausgewogene Länder zu schaffen, die tragende Säulen des föderativen Systems abgeben konnten. Die Frist für die Überprüfung war mit zwei Monaten sehr kurz gesetzt. Schon bei den ersten nachfolgenden Besprechungen wurde deutlich, dass eine generelle Überprüfung aller Ländergrenzen innerhalb dieser Zeit unmöglich war. Realisierbar erschien allein eine Neuregelung der Grenzverhältnisse im deutschen Südwesten, auch deswegen, weil hier ja ein von allen Regierungen im Südwesten konstatierter Handlungsbedarf bestand. Dieser ergab sich aus der für alle Beteiligten unbefriedigenden Situation, die durch die Aufteilung der historischen Länder Württemberg und Baden auf unterschiedliche Besatzungszonen entstanden war.

In dem zwischen 1948 und 1952 ausbrechenden Südweststaatkampf, in seinen politischen Handakten wie in seinem Schriftwechsel äußerst dicht dokumentiert, vertrat Wohleb konsequent den badischen Standpunkt: Das von ihm regierte Land, welches bis knapp an die Stadtgrenzen Karlsruhes heranreichte, erhob den Anspruch, legitimer Erbe und Fortsetzung des alten Landes Baden, ehemals Großherzogtum, zu sein, und führte als Teil den Namen des Ganzen. Infolgedessen war Wohlleb ein strikter Gegner eines Südweststaats und forderte die Wiederherstellung Gesamtbadens als eigenständiges Land.

In diesem Vorhaben scheiterte Wohlleb schließlich in der Volksabstimmung von 1951, was weitgehend auf die Abstimmungsmodalitäten zurückzuführen war. Nach einer 1950 durchgeführten Probeabstimmung, bei der sich in Südbaden (und Gesamtbaden) eine Mehrheit für die Wiederherstellung des alten Landes Baden, jedoch in Nordbaden, Nordwürttemberg und Württemberg-Hohenzollern für die Bildung eines Landes Baden-Württemberg ergab, beschloss der Bundesgesetzgeber, die Volksabstimmung über den Südweststaat in vier Abstimmungsbezirken stattfinden zu lassen, von denen nur drei zur Bildung des neuen Landes Baden-Württemberg zustimmen mussten. Das Bundesverfassungsgericht lehnte eine Klage gegen diesen Modus mit 6:6 Stimmen ab. Erwartungsgemäß konnte in der zwei Monate später stattfindenden Abstimmung die von Wohlleb propagierte Traditionslösung nur in Südbaden erneut eine Mehrheit (62,2 %) erzielen, während Nordbaden mit 57 %, Nordwürttemberg und Württemberg-Hohenzollern mit überwältigender Mehrheit für die Gründung des Südweststaats votierten. Dass sich in Gesamtbaden wieder eine knappe Mehrheit von 52,2 % für die Eigenständigkeit Badens ergeben hatte, blieb aufgrund des Abstimmungsmodus unerheblich. Erst 1956 nach Wohllebs Tod gab das Bundesverfassungsgericht dem Antrag auf Wiederholung der Abstimmung im alten Land Baden statt, da durch die Zerlegung Badens in zwei getrennte Stimmbezirke das Votum von 1951 nicht den Anforderungen von Art. 29 GG genügt habe und der Wille der badischen Bevölkerung überspielt worden sei. Der vom Bundesgesetzgeber anzusetzende Volksentscheid in Baden wurde allerdings mehrfach verschoben und konnte erst 1970 nach einer erneuten Klage vor dem Bundesverfassungsgericht stattfinden. Er ergab dann eine große Mehrheit von 81,9 % für den Verbleib bei Baden-Württemberg.

Am 24. Juni 1947 wurde Wohlleb vom badischen Landtag, der bis 1951 im Historischen Kaufhaus in Freiburg tagte, zum Staatspräsidenten gewählt. Damit übernahm er die politische Verantwortung in einem Lande unter Bedingungen, die keineswegs glänzend zu nennen waren. Vor allem die anfänglich rigide Wirtschaftspolitik der französischen Besatzungsmacht – Demontagen, Nahrungsmittelentnahmen, Holzeinschläge – stießen auf großes Unverständnis und Kritik in der Bevölkerung. Allerdings bot die französische Demokratisierungspolitik breiten Spielraum für eine demokratische Neuordnung, der sich Wohlleb und die von ihm geführte Verwaltung intensiv widmeten. Bis 1952 sollte Leo Wohlleb die Geschicke (Süd-)Badens entscheidend prägen und einer breiteren Öffentlichkeit geradezu als Verkörperung des Landes bekannt werden.