Leek het even dat hij de weg van de lithografie zou opgaan toen hij in 1881 als leerling-lithograaf begon bij Meyer & Köster in Göteborg waar hij als tekenaar werkte, maar het was met dat salaris dat hij ook nog eens vier semesters lang avond- en weekendlessen kon volgen bij de school voor Design en Ambacht. Later werd Wilhelmson fulltime student aan de Valand Academie onder de vooraanstaande schilder Carl Larsson. Op aanbeveling van Larsson en het bedrijf Meyer & Köster ontving Wilhelmson in 1888 een reisbeurs van de Handels- academie om zijn blik te verruimen. Hij gebruikte deze voor een uitgebreide studiereis naar Leipzig.

Met zijn eigen spaargeld reisde hij vlak voor het Nieuwjaar van 1890 vervolgens naar Parijs, waar hij een aantal jaren woonde en atelier volgde bij Paul Sérusier en Maurice Denis in de Julian Académie. met uitzondering van de zomermaanden, dan keerde hij steevast terug naar zijn ouderlijk dorp, het vissersdorpje Fiskebäckskil.

Dat Wilhelmson al op jonge leeftijd artistieke aanleg toonde, was niet zo vreemd, want zijn vader tekende graag boten en kustlandschappen. Hij overleed echter bij een schipbreuk toen Wilhelmson slechts negen was. Zijn moeder opende een winkeltje om in het dagelijks onderhoud te voorzien.

In Parijs werkte hij als reclame-illustrator, zoals blijkt uit enkele bewaard gebleven schetsboeken. Maar er is weinig bekend over zijn jaren tot 1896, toen hij definitief naar Zweden terugkeerde. Nadat hij in 1896 naar Göteborg was verhuisd, werd hij door Pontus Fürstenberg, de financier van de Valand Schilderschool, uitgenodigd om directeur van de school te worden. Hij hield die functie tot 1910, daarna richtte Wilhelmson zijn eigen kunstacademie op in Stockholm en gaf daar zeventien jaar les, van 1911 tot aan zijn dood.
De route die Carl Wilhelmson aflegde, is vergelijkbaar met die van andere artistieke landgenoten. Veel kunstenaars kozen ervoor om Zweden in hun jonge jaren te verlaten om op het continent te studeren, te werken en inspiratie op te doen. Geleidelijk aan nam heimwee de overhand, net als de fascinatie voor alles wat het Zweedse thuisland te bieden had.

Op de kunstacademie van Carl Wilhelmson werd Mollie Faustman de „massière” van de school, degene die de orde handhaafde, en zij werkte jarenlang nauw samen met Wilhelmson. In de monografie van Axel Romdahl over Carl Wilhelmson beschrijft Mollie Faustman hem als volgt: „ Het meest kenmerkende aan Carl Wilhelmson als docent was misschien wel zijn voorzichtigheid, zijn angst om de leerling in diepere zin te beïnvloeden. Hij was er vast van overtuigd dat ieder mens iets unieks heeft dat hem of haar van alle anderen onderscheidt en dat hij of zij daarom, als hij of zij als kunstenaar in staat is om deze eigenheid tot uitdrukking te brengen, ook iets te bieden heeft dat niemand anders kan bieden.”

In 1901 huwde hij met kunsrenares-schilder Albertina Kerfstedt. Een van hun kinderen, Ana Wilhelmson-Lagerlan werd ook schilder.

De nationale romantiek was een beweging die tot uiting kwam in de kunsten. Op dat moment maakte Zweden een periode van snelle veranderingen door, die gepaard gingen met industriële en sociale onrust. Tussen 1879 en 1893 zorgden een economische recessie in Zweden en een economische bloei in de VS ervoor dat jaarlijks ongeveer 34 000 Zweden naar Noord-Amerika emigreerden. Rond de eeuwwisseling transformeerde Zweden van een agrarische economie tot een industriële natie. Het aantal arbeidskrachten in de landbouw bereikte rond 1880 een hoogtepunt en werd begin jaren 1930 overtroffen door het aantal arbeidskrachten in de industrie. Landbouw en industrie werden onderling afhankelijk: de landbouw vertrouwde in toenemende mate op machines en kunstmest, terwijl de industrie profiteerde van een instroom van arbeidskrachten . Tegen de achtergrond van deze sociaal-politieke factoren bloeide het nationaal-romantisme in de kunsten op. Tegen het begin van de 20e eeuw werd het de dominante ideologie. In heel Europa wilden nationaal-romantici dat verandering in overeenstemming zou zijn met cultuur, geschiedenis, tradities en waarden; de Zweden promootten echter ook het modernisme. “Het Zweedse’’ werd geassocieerd met een verbondenheid met de natuur, een geloof in gelijkheid en een bereidheid tot compromissen (Oxfard Academic)

De nationale romantiek was een stroming die in verschillende delen van Europa, zoals Bohemen en Rusland, tot uiting kwam in de kunst en de architectuur. In de muziek van de Noordse landen kwam het nationalisme sterk tot uiting. Grieg, die twee decennia eerder was geboren dan andere Scandinavische nationalistische componisten, was de eerste die volksmuziek en traditionele liederen in zijn composities verwerkte. Andere Scandinavische componisten werden binnen enkele jaren na Wilhelmson geboren. Zo werden Nielsen en Sibelius een jaar vóór Wilhelmson geboren en de Zweedse componisten Stenhammar en Alfvén respectievelijk vijf en zes jaar daarna. Hun muziek is onmiskenbaar Noord-Europees – denk maar aan Griegs Peer Gynt, gebaseerd op het toneelstuk van Ibsen, en Finlandia van Sibelius. Ook kunstenaars brachten hulde aan de cultuur, het land en de bevolking van hun land. De periode tussen ongeveer 1905 en 1920 wordt beschouwd als het ‘zilveren tijdperk van de nationale romantiek’ in Zweden. (Oxfard Academic)