La carriera in Nazionale di Wilhelmsson iniziò nel 2000, con la selezione Under-21. Del 2001 è l'esordio in Nazionale maggiore, con la quale ha giocato il campionato d’Europa 2004 in Portogallo e il citato campionato del mondo 2006 in Germania. In Svezia è anche famoso per essere andato via dal ritiro della nazionale svedese insieme ai compagni Zlatan Ibrahimović e Olof Mellberg per andare a festeggiare il compleanno di quest'ultimo e per questo saltò la successiva sfida valida per le qualificazioni europee contro il Liechtenstein e non fu convocato per alcune gare.