Untuk pasukan kebangsaan Belgium, Wilmots menjaringkan 28 gol dalam 70 kaps di mana debut beliau pada Mei 1990. Beliau telah ke pentas Piala Dunia sebanyak tiga kali iaitu pada 1990, 1994, 1998, 2002 menjadikan beliau sebagai pemain Belgium dengan penjaring terbanyak di Piala Dunia. Beliau sebenarnya menjaringkan gol dalam Piala Dunia 2002 pada peringkat 16 kelayakan menentang Brazil namun tidak disahkan oleh pengadil Peter Prendergast pada separuh masa pertama. Namun pengadil tersebut meminta maaf kepada beliau akibat perbuatan pengadil itu tadi.