Wilhelmsen er statsviter og forsker ved Norsk Utenrikspolitisk Institutt (NUPI). Hun har doktorgrad i statsvitenskap og arbeider med russisk innenriks- og utenrikspolitikk, radikalisering av islam i Eurasia og kritiske sikkerhetsstudier.

Hun er en aktiv deltaker i den offentlige debatten om internasjonal politikk. Wilhelmsen er blitt nektet visum til Russland siden 2015.