Wilhelmsson har tidligere spilt for den norske klubben Stabæk, som han forlot i 2003 til fordel for Anderlecht i Belgia. Dette skjedde etter en kamp mellom klubbene, hvor han ble oppdaget av sistnevnte lag, og som således kjøpte ham til sin stall. Deretter gikk han i 2006 til Nantes. Våren 2007 var han utlånt til Roma i Serie A. Wilhelmsson gikk tilbake til Nantes før 2007–2008-sesongen. Høsten 2007 var han på utlån hos engelske Bolton Wanderers FC i Premier League. Han gikk videre på en låneavtale til Deportivo de La Coruña 30. januar 2008.