Wilhelmsson lukeutui Ruotsin maajoukkueen vakionimiin. Hän kuului Ruotsin joukkueeseen muun muassa vuoden 2004 EM-kisoissa ja vuoden 2006 MM-kisoissa. Hän pelasi kaikkiaan 79 maaottelua ja teki niissä yhdeksän maalia vuosina 2001–2012.