W reprezentacji Szwecji Wilhelmsson zadebiutował 31 stycznia 2001 w zremisowanym 0:0 meczu przeciwko Wyspom Owczym. Wcześniej występował w drużynie do lat 21, dla której w latach 2000–2001 rozegrał 16 spotkań i strzelił 2 bramki. Razem z dorosłą kadrą wystąpił na 3 wielkich turniejach. Na Mistrzostwach Europy 2004 razem z zespołem dotarł do ćwierćfinału, w którym w rzutach karnych lepsi okazali się Holendrzy. Na Mistrzostwach Świata 2006 Szwedzi w 1/8 finału zostali wyeliminowani przez Niemcy. Wychowanek Mjällby wystąpił wówczas we wszystkich 4 pojedynkach, jednak w żadnym z nich nie grał w pełnym wymiarze czasowym. W 2008 Wilhelmsson pojechał na mistrzostwa Europy, jednak już w pierwszym meczu doznał kontuzji, która wykluczyła go z gry do końca turnieju. W 2012 wystąpił na ME 2012 w Polsce i Ukrainie.