Syyskuun lopussa 2009 Dick Advocaat nimesi hänet Belgian jalkapallomaajoukkueen apuvalmentajaksi. Wilmots jatkoi apuvalmentajana myös Georges Leekensin palattua toukokuussa 2010 maajoukkueen peräsimeen. Leekensin jätettyä tehtävänsä toukokuussa 2012 Wilmotsista tuli maajoukkueen väliaikainen päävalmentaja. Kesäkuun alussa 2012 Belgian liitto teki Wilmotsin kanssa vuoteen 2014 ulottuvan sopimuksen. Wilmotsin alaisuudessa nuorentunut Belgia pelasi loistavat MM2014-karsinnat. "Punaiset paholaiset" eivät hävinneet yhtään karsintaottelua ja etenivät lohkovoittajana MM-kisoihin 12 vuoden tauon jälkeen. Huhtikuussa 2014 Wilmots allekirjoitti vuoteen 2018 ulottuvan jatkosopimuksen Belgian jalkapalloliiton kanssa. MM-lopputurnauksessa Belgia, jota pidettiin kisojen mustana hevosena, voitti oman lohkonsa puhtaasti ja eteni pudotuspeleihin. Neljännesvälierissä "Punaiset paholaiset" voittivat jatkoajalla Yhdysvallat 2–1. Turnaus katkesi puolivälierätappioon sittemmin finaaliin edenneelle Argentiinalle 1–0. Sijoitus oli Belgian paras sitten vuoden 1986 kisojen neljännen sijan. EM2016-karsinnoissa Belgia hävisi vain yhden ottelun ja eteni lohkovoittajana EM-lopputurnaukseen ensimmäistä kertaa sitten isännöimiensä vuoden 2000 kisojen.