W latach 1887–1895 pracował przy tworzeniu fresków w soborze św. Włodzimierza w Kijowie, wspólnie z uznanymi malarzami rosyjskimi: Michaiłem Niestierowem, Mykołą Pymonenką, braćmi Aleksandrem i Pawłem Swiedomskimi, Michaiłem Wrublem, Wiktorem Wasniecowem i Wiktorem Zamirajłą. Całością prac kierował rosyjski historyk sztuki, krytyk malarstwa i archeolog Adrian Wiktorowicz Prachow. Wilhelmowi Kotarbińskiemu przypisuje się autorstwo fresków nawiązujących tematycznie do Księgi Rodzaju: Stworzenie słońca, księżyca i gwiazd, Stworzenie ryb i ptaków, Stworzenie zwierząt czworonożnych i człowieka, Bóg odpoczywający po stworzeniu człowieka oraz Przemienienie Pańskie.Prawdopodobnie wspólnie z Pawłem Swiedomskim namalował natomiast w nawach bocznych: Wjazd do Jerozolimy, Wieczerzę Pańską, Chrystusa przed Piłatem i Ukrzyżowanie. Maryna Drobotiuk przypisuje wspólnemu autorstwu W. Kotarbińskiego i P. Swiedomskiego łącznie 18 obrazów i wizerunki 84 postaci. Ścisłe ustalenie autorstwa poszczególnych malowideł jest o tyle trudne, iż ich zdecydowana większość nie jest sygnowana, a Wilhelma Kotarbińskiego – jako katolika – nie dopuszczono do całkowicie samodzielnej pracy (malował pod bezpośrednim nadzorem P. Swiedomskiego).