Вильма родилась в семье рабочего с табачной фабрики. Она была двадцатым по счету ребенком в семье. В детстве она очень часто болела. Ей довелось перенести ветряную оспу, полиомиелит, скарлатину, пневмонию, коклюш. Из-за полиомиелита у нее долгое время была парализована левая нога. Казалось, что надежды нет, и парализованная нога не будет функционировать так, как раньше. Однако врачи сказали, что можно попробовать терапевтический массаж. Каждый день четыре раза родные Вильмы массировали ее ногу. В шесть лет девочка опять ходила, только со скобкой на ноге. Вскоре скобку поменяли на ортопедический ботинок. Вильма смогла ходить в школу и восстанавливать двигательные функции. В 11 лет Вильма уже спокойно играла босиком в баскетбол. Вскоре после этого она вступила в баскетбольный клуб средней школы. В 15 лет она была хорошо известна под прозвищем «Мошка». Она вошла в число лучших в штате баскетболистов, забросив в 25 играх 803 очка, а также забросила рекордные 49 очка в одной из игр.
В 16 лет она самостоятельно пробилась в сборную США по легкой атлетике. Она выиграла бронзу на Олимпийских играх в Мельбурне, в эстафете 4×100 метров. Настоящий триумф поджидал Вильму на Олимпийских играх в Риме в 1960 году. Она повторила мировой рекорд в полуфинале на 100 метров (11,3 секунды). В финале показала самый высокий результат – 11 секунд. Его не засчитали, потому что попутный ветер превышал норму. На дистанции на 200 метров она установила мировой рекорд – 22,9 секунд. В финале она не показала мирового рекорда, так как ветер был встречным, но все равно она выбила золото. Для американок это было первое золото за дистанцию в 200 метров. Третье золото Вильма Рудольф получила в финале эстафеты 4х100 метров. Сборная Америки по легкой атлетике была составлена исключительно из представительниц штата Теннеси. Стоит также отметить, что Вильма Рудольф первая американка, которая получала три золотых медали на одних Играх.
В 1960-01 гг. она была признана лучшей спортсменкой по версии Ассошиэйтед пресс. Через два года после запоминающихся Игр в Риме Вильма окончила свою спортивную карьеру. Она пару раз выступила на матчевой встрече сборных США и СССР. Однако позже все ее рекорды были побиты. В 1963 году она вышла замуж и родила четверых детей. Ее имя включили в зал Олимпийской славы США в 1983 году. В 1994 году умерла ее мать, а у самой Вильмы обнаружилась опухоль головного мозга. В этом же году она скончалась. На ее похороны пришли тысячи поклонников. Флаги в штате были приспущены. С 1997 года 23 июня в штате Теннесе – день Вильмы Рудольф.