Ensiesiintymisensä maajoukkueessa Wilmots teki vuonna 1994. Hän pelasi Belgian maajoukkueessa yhteensä 70 ottelua tehden 28 maalia. Hän pelasi kolmissa jalkapallon maailmanmestaruuskilpailuissa, vuosina 1994, 1998 ja 2002, joissa hän teki yhteensä viisi maalia, 1998-kisoissa kaksi ja 2002-kisoissa kolme. Hän pelasi myös Euroopan-mestaruuskilpailuissa 2000, joiden toisena isäntämaana Belgia toimi.