Później występował w licznych pierwszoplanowych rolach filmowych (Czterej pancerni i pies, Zaklęte rewiry, Kariera Nikodema Dyzmy), często charyzmatycznych.
W serialu Czterej pancerni i pies kręconym w drugiej połowie lat 60. zagrał tylko w pierwszych ośmiu odcinkach, gdyż zgodnie ze scenariuszem jego postać zginęła. Ze względu na popularność serialu twórcy zamierzali wskrzesić odgrywaną postać Olgierda Jarosza, jednak Wilhelmi odmówił, ponieważ w tym czasie otrzymał atrakcyjną propozycję w NRD. Popularność serialu zarówno dla niego, jak i dla pozostałych aktorów grających pierwszoplanowe role, nie przełożyła się na szybką karierę aktorską. Byli jednak prezentowani swoim fanom w różnych częściach Polski, co wiązało się z częstymi libacjami alkoholowymi. Na przełomie lat 60. i 70. nie dostawał w filmie żadnych ról poza serialami młodzieżowymi i dwiema niewielkimi rolami w filmach Stanisława Różewicza. Było to wynikiem założenia, że aktor grający popularną postać w Czterech pancernych nie mógł być kojarzony z negatywnymi bohaterami. W tym czasie za to rozwijała się jego kariera teatralna. W roku 1967 zagrał znaczące role w sztukach: , Męczeństwo i śmierć Jean Paul Marata...