Wilmotsin alaisuudessa FIFA:n rankingin kärkisijoille noussut Belgia lähti EM-lopputurnaukseen 2016 yhtenä ennakkosuosikkina. Turnaus alkoi kuitenkin heikosti, kun Italia nollasi Belgian avausottelussa 2–0 voitolla. Toisessa ottelussa Irlantia vastaan Belgian peli kulki paremmin ja joukkue lunasti odotuksia 3–0 voitollaan. Joukkueen hyökkäyspeli oli terävää myös päätösottelussa Ruotsia vastaan, mutta tehottomuus vaivasi. Lopulta Belgia voitti 1–0 ja eteni pudotuspeleihin. Neljännesvälierissä näytti, että Wilmots oli saanut Belgian joukkueen tähdet pelaamaan vihdoin yhteen joukkueena ja Unkari kaatui murskaluvuin 4–0. Puolivälierään Walesia vastaan ennakkosuosikkina lähtenyt Belgia hyytyi pahasti. Wilmots ei löytänyt taktisia keinoja kaataa Walesin tiivistä joukkuepelaamista ja haaveet finaalista kaatuivat 3-1 tappioon. Wilmots sai turnauksen aikana ja sen jälkeen kovaa kritiikkiä erityisesti joukkueensa taktisesta heikkoudesta. Tähtipelaajia vilissyt Belgia kykeni vain ajoittain yhtenäiseen joukkuepelaamiseen, eikä Wilmotsilla ollut aseita Walesin tai Italian tiiviin yhteispelin murtamiseen. Kritiikkiä kuului kisojen aikana myös joukkueen sisältä, esimerkiksi maalivahti Thibaut Courtois'lta. Kisojen jälkeen Wilmots ilmoitti kertovansa jatkostaan loman jälkeen. 15. heinäkuuta Belgian jalkapalloliitto kertoi erottaneensa Wilmotsin tehtävistään.