Vilmora pirmais kosmiskais lidojums notika 2009. gada novembrī Space Shuttle misijā STS-129.
Otro lidojumu Vilmors sāka 2014. gada septembrī kā kosmosa kuģa Sojuz TMA-14M bortinženieris. Viņš bija SKS 41. ekspedīcijas lidojuma inženieris un 42. ekspedīcijas komandieris. 2015. gada martā atgriezās uz zemes.