Douglas Wilmer a effectué ses études à Canterbury, avant de rejoindre la RADA. Il fut cependant appelé sous le drapeau durant la Seconde Guerre Mondiale avant d'avoir pu terminer ses études. Atteint par la tuberculose, il est reformé avant la fin de la guerre.
En 1945, il fait ses débuts au théâtre. Rapidement, il devient un spécialiste des rôles shakespeariens. En 1955, il obtient son premier rôle notable sur grand écran, dans le Richard III de Laurence Olivier. Suivront de nombreux rôles dans des films de premier plan, comme La bataille du Rio de la Plata, le Cid, Cléopâtre, La chute de l'empire romain, Khartoum, Patton, Cromwell, Antoine et Cléopâtre, ou bien encore Octopussy.
Il jouera aussi dans des films d'exploitation, dont certains sont devenus cultes, comme Jason et les Argonautes, Les 13 fiancées de Fu Manchu, la vengeance de Fu Manchu, The Vampire Lovers, Le voyage fantastique de Sinbad, La malédiction de la panthère rose.
En 1964, pour la BBC, il incarne Sherlock Holmes dans Le Ruban moucheté. Il retrouvera le fameux personnage à douze reprises à la télévision. En 1975, c'est pour le cinéma qu'il incarne le détective dans Le frère le plus futé de Sherlock Holmes. Il retrouvera le personnage dans des livres audio, ainsi qu'une fois, pour la télévision, dans The Rival of Sherlock Holmes, où, pour une fois, il n'incarne pas le détective.
Douglas Wilmer est aussi apparu dans des séries comme le Saint, amicalement vôtre, ou bien encore Cosmos 1999.