2009年からはジョルジュ・レーケンス監督率いるベルギー代表のアシスタントコーチを務めた。レーケンスが2012年に退任すると、ヴィルモッツが後任監督に就任した。2013年10月11日、ワールドカップブラジル大会の欧州予選でクロアチア戦に勝利し、自身が選手として出場した2002年日韓大会以来3大会ぶりにベルギー代表をワールドカップ本大会出場へ導いた。就任当時FIFAランキング54位だったチームを4年間で史上8か国目となるランキング1位（2015年11月）へ引き上げ、2018年ワールドカップロシア大会までの契約を結んでいたが、ユーロ2016でベスト8と期待外れの結果に終わり、2016年7月15日に解任された。