Berühmt ist die Menschenaffenhaltung. Alle vier Arten (Gorillas, Schimpansen, Orang-Utans und Bonobos) leben in Familiengruppen mit reichlich Nachwuchs. Das Jungtieraufzuchthaus dient inzwischen europaweit als Menschenaffenkinderstube, wenn ausnahmsweise eine Handaufzucht nötig ist. Daneben kann man dort auch sehen, wie Küken schlüpfen und aufwachsen. Im Schwingaffenhaus turnen Gibbons und Haubenlanguren in geräumigen Anlagen.
Der Anlagenkomplex für afrikanische Huftiere bildet mit seinen zwölf Außengehegen einen Schwerpunkt im nördlichen Teil der Wilhelma. Dort leben Giraffen, Okapis, Zebras, die seltenen Somali-Wildesel, Strauße und verschiedene Antilopenarten, wie beispielsweise Nyalas oder Bongos. 
Löwen, Tiger, Leoparden, Indische Elefanten, die urtümlich wirkenden Panzernashörner, die merkwürdigen Hirscheber - Wildschweine aus Sulawesi, Flusspferde und Schabrackentapire gehören ebenfalls zum Tierbestand der Wilhelma.
Eine attraktive Freianlage beherbergt Tiere Südamerikas wie Alpakas und Vikunjas. Dazu kommen noch die größten Nagetiere der Welt, die Wasserschweine, sowie Maras, Nandus und Ameisenbären.
Gegenüber der Südamerikaanlage haben Mähnenwölfe und Brillenbären ihre Gehege auf der neuen Anlage für Bären und Klettertiere. Auf diesem einmaligen Komplex, der einer Felslandschaft nachempfunden wurde, sind die einzelnen Gehege nicht durch Zäune getrennt. Für die Besucher unsichtbare Gräben separieren die einzelnen Tierarten voneinander. Hier haben Braunbären eine Heimat gefunden, aber auch Eisbären besiedeln neben Bibern und Ottern - alle durch Unterwasserfenster zu beobachten - diese beindruckende Anlage. Dazu kommen noch Schneeleoparden, Markhore oder Schraubenziegen, Schneeziegen und Steinböcke. 
Einer der Höhepunkte eines Wilhelma-Besuches ist das weltberühmte Aquarium. Vom Schwarzwaldbach über die Amazonaslandschaft bis zur Südseeinsel werden hier Naturausschnitte gezeigt. Vom unscheinbaren einheimischen Kleinfisch bis zum farbenprächtigen Korallenfisch und vom kleinen Pfeilgiftfrosch bis zum Krokodil leben im Aquarium und Terrarium Tiere aus allen Bereichen der Erde. 
Im Nachttierhaus haben Tiere ihre Heimstatt gefunden, die normalerweise bei Dunkelheit aktiv sind. Durch eine Zeitverschiebung herrscht zur Besucherzeit hier Dämmerlicht und so sind Flughunde, Mausmakis, Kleinkantschile, Laternenfische aus dem Roten Meer und chinesische Riesensalamander unterwegs. 
Im Insektarium findet man Spinnen, Skorpione, Schmetterlinge und Käfer. Ein Bienenvolk und die pilzzüchtenden Blattschneiderameisen können bei ihren Tätigkeiten beobachtet werden.
In begehbaren Volieren der Vogelfreifluganlage tummeln sich Austernfischer, Säbelschnäbler und Kampfläufer in den Wellen, direkt daneben findet man Vögel aus der afrikanischen Savanne. 
Ein gewaltiger Schritt nach vorne ist für die Botanik das neue Amazonienhaus. Auf 1200 m² umbauter Fläche sieht man in einer grandiosen, künstlich gestalteten Felslandschaft Pflanzen und Tiere aus dem oberen Amazonas-Regenwald. Im üppigen Grün von Kapok- und Mahagonibäumen, leben Brüllaffen, Weißgesichtssakis und Goldkopflöwenäffchen. Daneben bevölkern freifliegende Vögel wie Sonnenrallen, Blatthühnchen, Tangaren und Kolibris  den Urwald. Im Becken unterhalb eines tosenden Wasserfalls findet man Kaimane und verschiedene Fischarten aus dem Amazonas. 
Wertvoll ist auch der Pflanzenbestand der Wilhelma mit etwa 5000 Arten, und im Rhythmus der Jahreszeiten ändert sich das Gesicht des Parks ständig, so dass man immer neue Eindrücke erhält. Das botanische Jahr beginnt in der Wilhelma mit der Blüte der Orchideen, von denen ca. 5000 Pflanzen gepflegt werden. Die am schönsten blühenden Exemplare werden jeweils in zwei Vitrinen im Tropengewächshaus gezeigt. Als nächstes blühen Kamelien und Azaleen in ihren Häusern mit jeweils über 30 Sorten. Einmalig ist die Blüte in Europas größtem Magnolienhain, prächtig sind Tausende von Tulpen und Narzissen auf den weiten Rabatten des Parks.
Während des Sommers schafft der 700 m² große Seerosenteich mit tropischen Seerosen und Lotosblumen den Zauber eines Tropengartens. Die Blüte der hunderttausend Sommerblumen beendet das botanische Jahr in der Wilhelma.
Weitere Schwerpunkte sind die Sukkulenten und die Fuchsien, von denen über 200 Sorten während des Sommers blühen, sowie Bärlappgewächse, Schachtelhalme bis hin zu Farnen, Baumfarnen und primitiven Nadelhölzern in je einem Kalt- und Warmhaus. Tropische Nutzpflanzen wie Kaffee, Sternfrucht, Papaya, Baumwolle und viele andere mehr runden die botanischen Anlagen ab.

Es gibt einige Spielplätze, mehrere Kioske und Biergärten sowie ein großes Restaurant. 
Ein Parkhaus befinden sich unmittelbar am Haupteingang. Mit öffentlichen Verkehrsmitteln ist der Zoo sehr günstig zu erreichen.