Spuścizna Zapisał się w historii muzyki polskiej XX w. jako wybitny wiolonczelista, kameralista, dyrygent, pedagog, kompozytor, pisarz i organizator życia muzycznego. Obok repertuaru klasycznego wprowadzał na estradę utwory kompozytorów współczesnych, m.in. koncerty wiolonczelowe Jana Adama Maklakiewicza i Arthura Honeggera, utwory Igora Strawinskiego, Siergieja Prokofjewa, Eugeniusz Morawskiego, Karola Szymanowskiego. Po wojnie umieszczał w programach m.in. kompozycje Mieczysława Karłowicza, Ludomira Różyckiego, Emila Młynarskiego, opery Władysława Żeleńskiego i Ignacego Jana Paderewskiego.
Dla kameralistyki polskiej zasłużył się jako twórca i lider Tria Wiłkomirskich. Twórczość kompozytorska Wiłkomirskiego nie wykracza poza styl neoromantyczny, a jej uwieńczeniem jest Symfonia koncertująca (1950) i Kantata o św. Jacku (1957).
Upamiętnienie Kazimierz Wiłkomirski jest patronem Towarzystwa Muzycznego w Starych Babicach pod Warszawą, a także Zespołu Państwowych Szkół Muzycznych w Elblągu. Jego imieniem nazwano też ulice w Gdańsku i Kępnie.