Ab 2005 trainierte er die Dänische Männer-Handballnationalmannschaft. Zu seinen Erfolgen zählen der Gewinn der Europameisterschaft 2008 und der Europameisterschaft 2012. Weitere Erfolge waren die Vizetitel bei der Weltmeisterschaft 2011 und der Weltmeisterschaft 2013 sowie die dritten Plätze bei der Europameisterschaft 2006 und der Weltmeisterschaft 2007. Nach dem zweiten Platz bei der Heim-EM 2014 trat Wilbek von seinem Posten als Nationaltrainer zurück. Anschließend wurde er Sportdirektor beim dänischen Handballverband (DHF). Im August 2016 beendete er diese Tätigkeit.