Lors des Jeux olympiques de Sotchi, Vilukhina décroche deux médailles d'argent, l'une dans l'épreuve du sprint, derrière la Slovaque Anastasia Kuzmina et devant l'Ukrainienne Vita Semerenko, l'autre dans l'épreuve du relais (4 × 6 km), en compagnie de Iana Romanova, Olga Zaïtseva et Ekaterina Shumilova.