In der belgischen Nationalmannschaft debütierte Wilmots im Mai 1990. Einen Monat später gehörte er zum Kader Belgiens bei der Weltmeisterschaft 1990, kam aber nicht zum Einsatz. Vier Jahre später nahm er an der Weltmeisterschaft 1994 teil und erreichte das Achtelfinale, blieb aber ohne Torerfolg. Bei der Weltmeisterschaft 1998 schied Belgien bereits in der Vorrunde aus, allerdings gelangen Wilmots diesmal zwei Treffer. Bei der Europameisterschaft 2000 war Belgien einer der beiden Gastgeber, schied aber bereits in der Vorrunde aus. Bei der Weltmeisterschaft 2002 erzielte Wilmots drei Treffer. Beim Ausscheiden im Achtelfinale wurde ein von ihm erzielter Treffer gegen Brasilien nicht anerkannt. Brasilien gewann 2:0 und Belgien schied aus. Nach der WM beendete Wilmots seine Karriere in der Nationalmannschaft.