Wilkie a su combiner les techniques logiques et les techniques de géométrie différentielles permettant d'établir des théorèmes de finitude fondamentaux pour les ensembles définissables en utilisant la fonction exponentielle, et les pfaffiens plus généraux. Les résultats sont bien au-delà de ceux obtenus par des méthodes conventionnelles, ont déjà eu des applications frappantes sur les groupes de Lie.[2]
Après son doctorat, il a poursuivi son travail universitaire en qualité de maître de conférences en mathématiques à l'Université de Leicester de 1972 à 1973.
Puis devient chercheur à l'Open University à partir de 1973 jusqu'en 1978. Il fut à deux reprises professeur de mathématiques auxiliaire à l'Université d'Oxford de 1978 à 1980 puis de 1981 à 1982. Il fut également professeur adjoint à l'Université Yale de 1980 à 1981.
En Wilkie bénéficie d'une bourse de recherche au département de mathématiques à l'Université Paris Diderot, puis retourne en Angleterre l'année suivante pour trois années de bourse de recherche SERC (actuellement EPSRC) à l'Université de Manchester. Au bout de deux ans, il est nommé conférencier au département de mathématiques.
En 1986 il est titulaire de la chaire de Logique Mathématique à l'Université d'Oxford, poste devenu vacant à la retraite de Robin Gandy.
Il reste à ce poste jusqu'à sa nomination à la Chaire Fielden de Mathématiques Pures à l'Université de Manchester en 2007.
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