Tout commence le 1er octobre 1861 quand Morten Wilhelm Wilhelmsen, âgé de 22 ans, se lance dans les affaires. Son père qui détient des actions dans différents voiliers du port de Tönsberg a favorisé son apprentissage de la vie maritime en l'envoyant notamment se former en France. Le premier navire fut le voilier "Mathilde" d'origine française puisque construit à Saint-Malo en 1840. Vingt ans plus tard, Wilh. Wilhelmsen (WW) était le principal armateur de Tönsberg avec douze voiliers. Le premier navire à vapeur de la compagnie est acheté en 1887. Il s'agit de l'ancien français "Talabot" de 1800 tpl, de l'armement havrais Mesnier. Le navire conservera son nom. Ayant été très rentable, WW considérera le "T" comme un porte-bonheur et à l'avenir les unités de sa flotte porteront des noms commençant par cette lettre.
L'histoire récente de WW voit la progression de la conteneurisation amener la compagnie à se désengager progressivement des trafics de lignes généralistes pour se consacrer de plus en plus au transport de véhicules. Son premier navire dédié entièrement à ce transport est le "Takayama" en 1983, d'une capacité de 3 000 voitures.
En juillet 1999, la compagnie suédoise Wallenius Line et WW formaient une société commune nommée Wallenius Wilhelmsen Lines, détenue à 50% par chaque partenaire. En 2002, était créé Eukor Car Carriers, basé à Séoul, détenu par WW et Wallenius pour 40% chacun et 20% pour Hyundai Motors et Kia Motors. Les deux partenaires sont associés également à 50/50 dans American Roll-on Roll-off Carriers.
En 2011, WW recevait le "Tonsberg", premier d'une série de quatre unités. Long de 265 mètres, c'était le plus grand roulier jamais construit à ce moment-là. Ce navire renforçait la position de la compagnie sur le segment du fret lourd et de grande dimension.
Outre le transport maritime entre les cinq continents, WW offre dans le cadre de Wallenius Wilhelmsen Logistics un certain nombre de services logistiques automobiles à terre y compris l'exploitation de terminaux aux Etats-Unis, en Asie et en Europe. La branche Wilhelmsen Maritime Services propose, elle, de nombreuses prestations aux navires (agence maritime, fournitures, équipements...) dans le monde entier et assure la gérance technique et la gestion d'équipage d'environ 450 navires. 
Le 22 février 2020, Wilhelm Wilhelmsen décédait à l'âge de 82 ans. Il représentait la quatrième génération de la famille Wilhelmsen fondée par son arrière-arrière-grand-père. Le groupe WW est présent dans 74 pays, il employait 21 000 salariés dont 9 200 marins en 2020.
En janvier 2022, WW déjà actionnaire du groupe allemand Ahrenkiel en devenait l'actionnaire principal et faisait ainsi son retour dans le segment des pétroliers, après une absence de dix ans. Il reprenait la gestion de cinq pétroliers d'Ahrenkiel Tankers renommé Barber Ship Management, nom que Wilhemsen Ship Management portait lors de sa création à Hong Kong en 1975. Barber Ship Management sera donc désormais la nouvelle branche de gestion spécialisée de Wilhemsen pour la partie pétroliers du groupe, à partir du 1er janvier 2022.