W 2002 roku wzięła udział w igrzyskach olimpijskich w Salt Lake City, trzykrotnie stając na podium. W sprincie zdobyła złoty medal, przed Uschi Disl i Szwedką Magdaleną Forsberg. W biegu pościgowym była druga, rozdzielając Olgę Miedwiedcewą i Irinę Nikułcziną z Bułgarii. Złoty medal zdobyła także w sztafecie. Na rozgrywanych cztery lata później igrzyskach w Turynie również wywalczyła trzy medale: złoty w biegu pościgowym oraz srebrne w sztafecie i biegu masowym, w którym wyprzedziła ją tylko Anna Carin Zidek ze Szwecji. Brała też udział w igrzyskach olimpijskich w Vancouver w 2010 roku, gdzie razem z koleżankami z reprezentacji zdobyła brązowy medal w sztafecie. Zajęła także między innymi czwarte miejsce w biegu indywidualnym, w którym walkę o podium przegrała z Darją Domraczewą z Białorusi.
27 marca 2010 r. ogłosiła zakończenie sportowej karieryBiatlon. Kati Wilhelm kończy karierę..
Osiągnięcia w biathlonie Igrzyska olimpijskie
Mistrzostwa świata
Puchar Świata Miejsca w klasyfikacji generalnej Sezon Miejsce 2000/2001 8. 2001/2002 8. 2002/2003 13. 2003/2004 8. 2004/2005 2. 2005/2006 1. 2006/2007 2. 2007/2008 4. 2008/2009 2. 2009/2010 7.
Miejsca na podium chronologicznie