Philadelphia 76ers (2005-2012)
efter skuffende træningspræstationer faldt Vilhelm til anden runde af udkastet og blev til sidst valgt 45.samlet af Philadelphia 76ers. Han spillede sparsomt som en rookie med et gennemsnit på 1,9 point og .3 hjælper over 30 spil.
den næste sæson blev han sendt til at spille for Fort værd Flyers af NBA Development League den 28.November 2006. Efter en god fremvisning i D-League og handelsrygter omkring 76ers ‘startpunktvagt Allen Iverson blev han tilbagekaldt tilbage til 76ers’ liste den 5.December.
i løbet af sæsonen 2007-08 var der i gennemsnit 11,3 ppg, 3,2 apg og 2,0 rpg. I slutningen af denne sæson blev han en begrænset fri agent og underskrev en femårig aftale til en værdi af $25 millioner for at forblive hos Philadelphia.
i spil 4 i første runde af 2011 Eastern Conference Playoffs, ramte han en klar tre-pointer for at give 76ers en sejr mod Miami Heat, 86-82. Imidlertid endte sekserne med at miste serien i fem kampe.
for sæsonen 2011-12 førte han 76ers med at score med 14,9 point pr.kamp, på trods af at han ikke startede et enkelt spil. Han var nummer to efterbehandler for NBA sjette mand af året pris.
Atlanta høge (2012-2014)
den 12.juli 2012 underskrev Vilhelm med Atlanta høge. Den 18. januar 2013 mod Brooklyn Nets landede han akavet på sit højre knæ og måtte forlade spillet på en kørestol. Det blev senere afsløret, at han rev sin ACL og ville gå glip af resten af sæsonen.
Vilhelms gik glip af de første par kampe i sæsonen 2013-14, mens han kom sig efter sin knæskade. Han debuterede den 20. November 2013 og scorede 6 point fra bænken. Den 14. December 2013 scorede han en sæsonhøj på 27 point. Han sluttede sæsonen med et gennemsnit på 10,4 point, 3,5 assists og 2,1 rebounds.
Toronto Raptors (2014-2015)
den 30.juni 2014 blev han handlet sammen med udkastet til rettigheder til Lucas Nogueira, til Toronto Raptors i bytte for John Salmons og 2015 anden runde pick. Den 22. November 2014 scorede han en daværende karrierehøj 36 point i Raptors’ 110-93 sejr over Cleveland Cavaliers. Den 20.April 2015 blev han udnævnt til NBA ‘ s sjette mand i 2015 og blev det første medlem af Toronto Raptors, der nogensinde vandt prisen.
Los Angeles Lakers (2015-2017)
den 9.juli 2015 underskrev Vilhelms en treårig kontrakt på 21 millioner dollars med Los Angeles Lakers. Han debuterede for Lakers i sæsonåbneren mod Minnesota Tømmervolve den 28. oktober 2015 og scorede 21 point fra bænken i et tab på 112-111. Den 3. januar 2016 scorede han en daværende sæsonhøj 30 point i en 97-77 sejr over Føniks Suns. Fem dage senere scorede han 23 af sin daværende karrierehøj 44 point i fjerde kvartal af Lakers’ 117-113 tab til Oklahoma City Thunder.
den 3.December 2016 scorede han en sæsonhøj 40 point fra bænken i et tab på 103-100 til Memphis. Vilhelms 40 point var de mest scorede af en modstanders reserve mod Memphis, og han blev den første spiller til at score 40 Fra Bænken siden Jordan i April 2014. To dage senere havde han 38 point, seks rebounds og syv assists i et 107-101 tab for Utah, hvor han sammensatte de første back-to-back 30-punkts spil i sin 12-årige NBA-karriere. Han blev også den første Lakers-spiller, der scorede mindst 38 point i successive spil siden Kobe Bryant i Marts 2013. Over fire kampe mellem 3. og 9. December scorede han 137 point – den største fire-spil scoring præstation af en reserve siden NBA begyndte at holde styr på starter i 1970.
Houston Rockets (2017)
den 23.februar 2017 blev han handlet til Houston Rockets i bytte for Corey brygger og et udkast til første runde i 2017. Han debuterede for Rockets den aften og scorede 27 point med syv trepegere fra bænken i en 129-99 sejr over Ny Orleans Pelicans. Den 15. Marts 2017 scorede han 30 point i en 139-100 sejr over Lakers.
Los Angeles Clippers (2017-2021)
den 28.juni 2017 erhvervede Los Angeles Clippers Vilhelm, Patrick Beverley, Sam Dekker, Montrell Harrell, Darrun Hilliard, DeAndre Liggins, Kyle Viltjer, og et valg i første runde i 2018 fra Houston Rockets i bytte for Chris Paul. Den 27. November 2017 scorede han en sæsonhøj 42 point i en 120-115 sejr over Los Angeles Lakers. Den 9. December 2017 ramte han en klarsignal pull-up 3-pointer med 1,2 sekunder tilbage og løftede Clippers til en 113-112 sejr over de amerikanske troldmænd. Han sluttede med 35 point for at føre en dominerende bænkindsats for Clippers. Den 31. December 2017 scorede han 40 point fra bænken i en 106-98 sejr over Charlotte Hornets. Han blev efterfølgende udnævnt til Ugens vestlige Konferencespiller for spil, der blev spillet mandag den 25. December til søndag den 31. December. Den 10. januar 2018 scorede han 27 af sin karrierehøjde 50 point i tredje kvartal af Clippers’ 125-106 sejr over Golden State krigere. Han skød 16 til 27 med en karriere-bedste otte 3-pointers og lavede alle 10 af hans frie kast. Det var den højest scorende indsats af enhver Clipper i et enkelt spil siden Charles Smith bundet en franchise rekord med 52 point i December 1990. Han blev efterfølgende udnævnt til Ugens vestlige Konferencespiller for spil, der blev spillet mandag den 8. januar til søndag den 14. Januar. Den 20. januar 2018 indspillede han 31 point, en franchise-rekord 10 stjæler og syv assists i et 125-113 tab for Utah. Han blev den første spiller i ligahistorien, der nåede 30 point, 10 stjæler, og syv assists i et spil, siden stjæler blev en indspillet stat. Den 26. januar 2018 havde han 40 point og matchede sin sæsonhøjde med 10 assists i Clippers’ 109-100 sejr over Memphis Gråbrokker. Den 7. februar 2018 underskrev han en flerårig kontraktforlængelse med Clippers. Den 23. februar 2018 havde han 35 point på 33 minutter, inklusive et 23-punkts andet kvartal, i en 128-117 sejr over Føniks Suns. I gennemsnit karrierehøjder i Point (22.6), assists (5.3) og minutter (32.8) i løbet af sæsonen 2017-18. Hans bænkscoring førte NBA i sin 13.sæson. Han blev efterfølgende udnævnt til NBA sjette mand af året for anden gang i sin karriere.
den 2.November 2018 scorede han 23 af sit spil-28 point i anden halvdel af Clippers’ 120-95 sejr over Orlando Magic. Clippers startede sæsonen med en 17-9 rekord, før han led en højre hamstringskade. I de fire spil, han gik glip af, udholdt Clippers en tabt række med fire spil. Da han vendte tilbage til Aktion den 20.December, scorede han 13 af sine 26 point i fjerde kvartal af Clippers’ 125-121 sejr over Dallas Mavericks. Den 28. December havde han en sæsonhøj 36 point i en 118-107 sejr over Lakers. Den 25. januar 2019 indspillede han sin første karriere triple-double med 31 point, 10 assists og 10 rebounds i en 106-101 sejr over Chicago Bulls, slutter sig til Detlef Schrempf (i 1993) som den eneste anden spiller i NBA-historien med en 30-punkts tredobbelt dobbelt fra bænken. Hans første triple-double fandt sted i hans 904.karrierespil—kun Randolph ved 974 spil loggede sin første senere i sin karriere. Den 2. februar scorede han 39 point og hjalp Clippers med at samle sig fra et 25-punkts underskud for at slå Detroit Pistons 111-101. Den 11. februar scorede han en sæsonhøj 45 point fra bænken i et tab på 130-120 for Minnesota Tømmervolve. Den 13. februar indspillede han 30 point og 10 assists på 22 minutter i en 134-107 sejr over Suns og blev den første spiller i NBA-historien med mindst 30 point og 10 assists på færre end 23 minutter. Den 8. marts scorede han 40 point i en 118-110 sejr over Oklahoma City Thunderog dermed passerer Jamal Uuford til andenpladsen i NBA karriere point fra bænken. Det var også det 28.spil i hans karriere med 30 eller mere fra bænken og slog Ricky Pierces rekord på 27. Den 11. marts blev han NBAs karriereleder i point fra bænken med 34 point i en 140-115 sejr over Boston Celtics, hvilket overgår Dell Curry (11.147). Den 17. Marts scorede han 25 point og ramte en 28 fods 3-peger fra toppen af nøglen ved summeren for at give Clippers en 119-116 sejr over Brooklyn Nets.
den 15.April 2019 havde han 36 point og 11 assists for at hjælpe Clippers med at overvinde et 31-punkts underskud—det største comeback i NBA playoff—historien-og binde serien i første runde til 1-1 mod krigerne med en 135-131 sejr. Han blev kun den anden bænkspiller i NBA-historien med en 30-punkts, 10-assisterende præstation i slutspillet. I spil 5 i serien havde han 33 point og 10 assists i en 129-121 sejr. Clippers fortsatte med at tabe Game 6 for at bøje sig ud af slutspillet. Ved NBAs prisuddelingsaften i slutningen af sæsonen blev han udnævnt til NBAs sjette mand i året og sluttede sig til Jamal Uuford som de eneste tre gange vindere af prisen.
efter at have overtrådt reglerne for NBA-boblen, blev han forpligtet til at sidde de første to såningskampe i sæsonen 2019-20 for at opfylde hans karantænekrav. I 2020 NBA Playoffs, kæmpede han gennem postsæsonen med et gennemsnit på 12,8 point og 4,2 assists, da Clippers faldt i syv kampe mod Denver Nuggets, mens han overgav en 3-1 føring i den vestlige konference semifinale.
2.periode med Atlanta høge (2021–nu)
den 25. marts 2021 blev to udkast til anden runde og kontante overvejelser handlet til Atlanta høge i bytte for Rajon Rondo.