Jako dyrygent Wiłkomirski zadebiutował 20 lutego 1927 koncertem w Filharmonii Warszawskiej, w programie którego znalazły się: uwertura-fantazja Romeo i Julia oraz Wariacje na temat rokoko Piotra Czajkowskiego, koncert fortepianowy Aleksandra Skriabina oraz Kaprys hiszpański Nikołaja Rimskiego-Korsakowa. Poza Polską występował w Rumunii, Niemczech i na Łotwie, a po 1945 w Związku Radzieckim, Czechosłowacji, Niemczech, Bułgarii, Izraelu i na Kubie.
Jako dyrygent operowy wystąpił po raz pierwszy w marcu 1933 w Operze Warszawskiej (Borys Godunow Modesta Musorgskiego). W latach 1947–1949 był kierownikiem artystycznym, a następnie (do 1952) dyrygentem Opery i Filharmonii we Wrocławiu, w 1952–1954 kierownikiem artystycznym Filharmonii Bałtyckiej w Gdańsku, a od stycznia 1953 kierownikiem Studia Operowego w Gdańsku, przekształconego wkrótce w Operę Bałtycką, w której w latach 1955–1957 działał jako dyrygent. W 1957 wrócił do Opery Wrocławskiej jako dyrygent (do wiosny 1960), kierownik artystyczny (do grudnia 1960) i ponownie dyrygent (do 1963). Występował także w teatrach zagranicznych, m.in. w Bratysławie, Budapeszcie, Dreźnie, Klużu-Napoce, Schwerinie.