Carl Wilhelmson utbildades först till litograf, men började senare studera måleri vid Valand. Åren 1890–96 vistades han i Frankrike, där han tog vissa intryck av neoimpressionismen. 1897 tillträdde han som lärare vid Valand. Från 1912 hade Wilhelmson egen målarskola i Stockholm, och från 1925 var han lärare vid Konsthögskolan.