Вильмотс дебютировал в сборной Бельгии в мае 1990 года. За 12 лет бельгиец сыграл на четырёх чемпионатах мира. Также Вильмотс сыграл на домашнем чемпионате Европы 2000, организованным Бельгией и Нидерландами. Кроме того, Марк Вильмотс является лучшим бомбардиром сборной Бельгии на чемпионатах мира (5 голов).