Вилухина участва в международни състезания от 2006 г. Дебютира за Световната купа по биатлон в последния кръг от сезон 2008/09 в Ханти-Мансийск. Към 26 февруари 2014 г. има две втори и две трети места за Световната купа, бронзов медал в преследването от световното първенство в Руполдинг през 2012 г. и сребърен олимпийски медал от спринта в Сочи през 2014 г. След това участва в състезания от Купата на Международния съюз по биатлон.