Pierwsze kroki w aktorstwie
Wilhelmi już w dzieciństwie wykazywał niesforny charakter, co skłoniło jego rodziców, Zdzisława i Stefanię Wilhelmich, do wysłania go do szkoły powszechnej z internatem Kolegium Kujawskiego księży salezjanów w Aleksandrowie Kujawskim.

To tam, jak sam wspominał, odkrył zamiłowanie do aktorstwa, występując w swojej pierwszej sztuce. Po powrocie do Poznania ukończył liceum oraz średnią szkołę teatralną (szkołę instruktorów ruchu amatorskiego). W wieku piętnastu lat wygrał konkurs recytatorski organizowany przez poznańskie radio, co było jednym z pierwszych sygnałów jego talentu. W 1958 roku ukończył Państwową Wyższą Szkołę Teatralną w Warszawie, co otworzyło mu drogę do profesjonalnej kariery.

Kariera Romana Wilhelmiego
Debiut sceniczny Wilhelmiego to rola Stanleya Kowalskiego w „Tramwaju zwanym pożądaniem” Tennessee Williamsa, którą zagrał w ramach warsztatów dyplomowych. W teatrze początkowo otrzymywał niewielkie role, ale przełomem było zagranie postaci Wioski w sztuce „Murzyni” Jeana Geneta. Z kolei na dużym ekranie zadebiutował w 1957 roku w filmie „Eroica” Andrzeja Munka, a pierwszą główną rolę filmową zagrał w 1963 roku w „Wianie”, choć sam nie był zadowolony z tej kreacji, uznając ją za zbyt teatralną.

Popularność przyniosła mu rola porucznika Olgierda Jarosza w serialu „Czterej pancerni i pies” w reżyserii Konrada Nałęckiego. Wilhelmi wystąpił tylko w pierwszych ośmiu odcinkach, ponieważ jego postać zginęła zgodnie ze scenariuszem. Aktor jednak nie był zadowolony z tej roli, uważając ją za banalną, i obawiał się, że zostanie zaszufladkowany, podobnie jak Janusz Gajos po roli Janka Kosa. Ostatecznie odmówił powrotu do serialu, wybierając propozycję pracy w NRD.
Wilhelmi zasłynął wszechstronnością, grając w różnych gatunkach – od kina historycznego („Krzyżacy” Aleksandra Forda), przez dramaty („Bez znieczulenia” Andrzeja Wajdy), kino akcji („Prywatne śledztwo”), po komedie. Jego kultowe role to m.in. Nikodem Dyzma w serialu „Kariera Nikodema Dyzmy” oraz Stanisław Anioł w „Alternatywach 4” Stanisława Barei.

O roli Dyzmy mówił:
„Nikodem Dyzma – z tym miałem pewien problem, nie chciałem powtórzyć karykatury, którą w latach pięćdziesiątych – zresztą znakomicie – na ekranie zagrał Adolf Dymsza, zachowując ten właściwy mu dystans i urok. Musiał być to Dyzma bardziej prawdziwy, osadzony w epoce”.
Krzysztof Demidowicz w „Filmie” (nr 8, 1997) pisał o tej kreacji:
„Jego interpretacja daleko wykracza poza konwencjonalny komizm. Wilhelmi, nie uciekając całkiem od karykaturalnych tonów, odkrył jednak w tytułowym łajdaku, awansującym dzięki przypadkowi i ludzkiej głupocie, kogoś zupełnie innego. W mistyfikatorze rozpoznajemy chwilami szarego, zgnębionego przez życie człowieka, który próbuje się ‘odkuć’ za wszystkie klęski i upokorzenia”.
O swoim podejściu do aktorstwa Wilhelmi mówił:
„W tym zawodzie chodzi o to, ażeby nie tworzyć jednolitych, prostolinijnych sylwetek. Aktor grając postaci jednoznaczne przestaje interesować widownię. (…) dramat leży tak blisko komedii, że wystarczy dać jeden krok, ale też trzeba być w miarę elastycznym, ażeby się nie poślizgnąć. (…) w tym zawodzie najbardziej cenię precyzję. Nie znoszę, kiedy ktoś zmienia scenę, zaskakując partnera, i sam nigdy tego nie robię. Aktorstwo jest dla mnie matematyką. Muszę doskonale wszystko wiedzieć”.

Osiągnięcia i nagrody Wilhelmiego są pokaźne!
Wilhelmi zagrał w ponad 40 filmach i 60 przedstawieniach teatralnych, zdobywając liczne nagrody. W 1981 roku otrzymał Złoty Ekran za wybitne osiągnięcia artystyczne w aktorstwie telewizyjnym, szczególnie za role w „Karierze Nikodema Dyzmy” i spektaklu „Proces”.

W 1980 roku przyznano mu główną nagrodę zespołową za rolę w „Czarownicach z Salem”, a w 1981 roku medal za najlepszą rolę męską i nagrodę dziennikarzy radzieckich za film „Ćma” na Międzynarodowym Festiwalu Filmowym „Imafic '81” w Madrycie. W 1982 roku nagrodzono go za najlepszą rolę męską w filmie „Wojna światów – następne stulecie”, a w 1983 roku otrzymał nagrodę zespołową Wydziału Kultury Uniwersytetu Warszawskiego oraz Puchar Stoczni Szczecińskiej za spektakl „Dwoje na huśtawce”.
W Poznaniu, jego rodzinnym mieście, od lat organizowane są Cykliczne Dni Romana Wilhelmiego, a na frontonie Sceny na Piętrze odsłonięto tablicę pamiątkową 3 listopada 2008 roku. Jego imię nosi rondo na warszawskim Ursynowie oraz skwer w obrębie Starego Miasta w Poznaniu.

Jak wyglądało życie prywatne Wilhelmiego
Życie prywatne Wilhelmiego było burzliwe. Pierwszy raz ożenił się w 1958 roku z Danutą, późniejszą dziennikarką. Drugie małżeństwo zawarł z węgierską tłumaczką Mariką Kollar, z którą miał syna Rafała (ur. 1970). Po rozwodzie w 1976 roku Marika, z powodu trudnej sytuacji, wyemigrowała z synem do Austrii. Aktor miał opinię człowieka trudnego, porywczego i konfliktowego, co potwierdzają relacje bliskich.
„Diabeł i anioł w nim mieszkali”
– mówiła o nim aktorka Barbara Wrzesińska.

Na planie „Kariery Nikodema Dyzmy” nawiązał romans z Grażyną Barszczewską, z którą grał parę kochanków. Aktorka wspominała:
„Roman wobec mnie był czasem brutalny, ale do bólu szczery i to było wspaniałe”.
W późniejszych latach uspokoił się u boku Liliany Kęszyckiej, którą poznał podczas zdjęć do tego samego serialu.

Wilhelmi do końca snuł plany
Roman Wilhelmi zmarł 3 listopada 1991 roku w wieku 55 lat na raka wątroby z przerzutami do płuc. Do końca snuł plany i nie godził się z chorobą. Henryk Talar wspominał:
„Do tej pory traktował życie, jakby nigdy nie miało się skończyć. Otwarty kalendarzyk i jego słowa znaczyły, że jeszcze walczy, upewnia się, że to jeszcze nie koniec i daje sobie jeszcze jedną szansę”.
Został pochowany na cmentarzu wilanowskim w Warszawie.
Wilhelmi pozostawił po sobie bogaty dorobek artystyczny i niezapomniane role, które do dziś bawią i wzruszają kolejne pokolenia. Jego pasja do aktorstwa, perfekcjonizm i intensywność, z jaką żył, uczyniły go legendą polskiego kina i teatru.
Tylko aktorstwo mnie pogrąża całkowicie. Oddaję się mu bez reszty, bo ten zawód jest dla mnie wszystkim…”
– mówił.