Народилася в 1976 році. У 2004 році закінчила Академію мистецтв в Турку.
З 1999 року знімає документальні та короткометражні фільми.
У 2012 році вийшов її художній короткометражний фільм « Чому все маю робити я?» (тривалістю 6,5 хвилин), який у 2014 році став номінантом премії «Оскар» за найкращий ігровий короткометражний фільм. Ця картина стала першою за всю історію кінематографа Фінляндії короткометражною картиною, номінованою на цю премію, і лише другим фінським фільмом (після фільму 2002 року «Людина без минулого» Акі Каурісмякі), номінованим на цю премію в будь-яких номінаціях. Після цього Вілхунен стала членом кіноакадемії США та була запрошена до складу журі премії «Оскар» 2015 року.
Її режисерським дебютом у художньому повнометражному кінематографі став фільм «Дівчинка на ім'я Варпу», знятий нею за власним сценарієм. Прем'єра картини відбулася у вересні 2016 року в Торонто. На думку канадського критика Девіда Д'Арсі, цей дебют для Вілхунен вийшов чудовим і реалістичним. У 2017 році фільм став номінантом фінської національної кінопремії «Юссі» у десяти номінаціях (включаючи дві персональні номінації Вілхунен — за найкращу режисуру та найкращий сценарій), переміг в одній із них: премію «Юссі» за найкращу жіночу роль отримала 13-літня Ліннея Ског, виконавиця головної ролі. У листопаді 2017 року фільм став володарем кінопремії Північної ради — найпрестижнішої премії у країнах Північної Європи. Журі кінопремії, обґрунтовуючи своє рішення про присудження премії за 2017 рік цьому фільму, зазначило, що Вілхунен, маючи невеликий бюджет, змогла передати на екрані найглибші людські почуття, показавши, що є неординарним режисером та сценаристом.
Наступним фільмом Вілхунен стала документальна картина Hobbyhorse revolution («Революція хобіхорсингу», зустрічається також інший переклад — «Коники на ціпках: революція»), присвячена хобіхорсингу, який набирає в останні роки у Фінляндії та Швеції підлітковій субкультурі катання на дерев'яних палицях-конях. Світова прем'єра фільму відбулася 31 березня 2017 року на кінофестивалі у Тампере; на цьому фестивалі фільм отримав дві нагороди, включаючи головний приз. У 2018 році цей фільм став лауреатом національної премії «Юссі» у номінації «Найкращий документальний фільм».
У 2018 році вийшов другий повнометражний художній фільм Вілхунен — Hölmö nuori sydän («Дурне молоде серце») з Вілле Хаапасало в одній з головних ролей. На Берлінському кінофестивалі 2019 року цей фільм отримав «Кришталевого ведмедя», ставши переможцем конкурсної програми дитячих та юнацьких фільмів. Також у 2019 році фільм висунутий на здобуття премії «Оскар» (у номінації «Найкращий іноземний фільм»).