Per il Belgio segnò 28 gol in 70 presenze, la prima delle quali nel 1990. Prese parte a quattro Mondiali, senza segnare nel 1994, ma realizzando due gol nei Mondiali 1998 e aggiungendone tre nei Mondiali 2002. Grazie a queste 5 marcature è il giocatore ad aver segnato più gol ai Mondiali con la maglia del Belgio. Va inoltre ricordato il famoso episodio della rete regolare annullatagli negli ottavi di finale col Brasile, rete che avrebbe permesso ai belgi di passare in vantaggio, oltre che per un goal segnato in rovesciata nella stessa competizione durante la fase a gironi contro il Giappone padrone di casa portando momentaneamente in vantaggio i fiamminghi sull'1-0 (gara poi terminata in pareggio per 2-2). Wilmots inoltre giocò a Euro 2000, quando il Belgio ospitò l'evento insieme all'Olanda.