Wilmots plaatste zich met België ook voor het EK 2016. Hierop kwamen de ploeg en hij tot de kwartfinales, waarin het Wales van onder anderen Gareth Bale en Aaron Ramsey de Belgen met 3–1 versloeg. Na afloop van het toernooi ontbonden Wilmots en de KBVB op 15 juli 2016 zijn contract.