Toen Dick Advocaat in oktober 2009 bondscoach werd van het Belgisch voetbalelftal, informeerde de Nederlander bij Wilmots en Marc Degryse of ze interesse hadden in de functie van assistent-trainer. Degryse, met wie Advocaat van 1996 tot 1998 had samengewerkt bij PSV Eindhoven, bedankte. Wilmots daarentegen hapte toe. De gewezen aanvoerder van de nationale ploeg zag echter hoe Advocaat in april 2010 vertrok. De KBVB haalde vervolgens Georges Leekens terug als bondscoach. Wilmots bleef assistent-trainer. Leekens en Wilmots slaagden er niet in om de Rode Duivels naar Euro 2012 te loodsen.