Wilhelmsson deltog i fyra internationella slutspel med svenska fotbollslandslaget: EM-slutspelet 2004 i Portugal, VM-slutspelet 2006 i Tyskland, EM-slutspelet 2008 Schweiz och Österrike och EM-slutspelet 2012 Polen och Ukraina. Han spelade dessutom kvalmatcher med landslaget inför dessa slutspel.