Wilson fu scelto nel corso del quinto giro del Draft 2013 dai Seattle Seahawks[1]. Debuttò come professionista partendo come titolare nella prima gara della stagione vinta contro i Carolina Panthers senza far registrare alcuna ricezione[2]. Nella settimana 3 contro i Jacksonville Jaguars ricevette i suoi primi 5 passaggi per 76 yard[3]. Il primo touchdown in carriera lo segnò su un passaggio di Russell Wilson nella settimana 14 contro i San Francisco 49ers in cui guidò la sua squadra con 70 yard ricevute[4]. La sua prima stagione regolare si concluse con 272 yard ricevute e un touchdown disputando tutte le sedici partite, sette delle quali come titolare. Nei playoff, i Sehawks batterono New Orleans Saints e San Francisco 49ers. Il 2 febbraio 2014, nel Super Bowl XLVIII contro i Denver Broncos, Seattle dominò dall'inizio alla fine della partita, vincendo per 43-8. Willson si laureò campione NFL ricevendo 2 passaggi per 17 yard[5][6].
Nella settimana 8 della stagione 2014 in casa dei Panthers, Willson ricevette a 49 secondi dal termine il touchdown della vittoria di Seattle su passaggio di 23 yard di Russell Wilson, interrompendo una striscia di due sconfitte della sua squadra[7]. Nel penultimo turno della stagione i Seahawks affrontarono i Cardinals allo University of Phoenix Stadium con in palio il titolo di division. Willson disputò la miglior gara della carriera sino a quel momento stabilendo i nuovi primati personali con 139 yard ricevute e 2 touchdown nella vittoria per 35-6[8]. La sua seconda stagione si chiuse con 22 ricezioni per 362 yard e tre touchdown in 15 presenze, di cui dieci come titolare. Il 10 gennaio 2015. nel secondo turno di playoff, Seattle ospitò i Panthers battendoli per 31-17 e qualificandosi per la finale della NFC[9], col giocatore che ricevette 65 yard e segnò un touchdown[10]. Otto giorni dopo aiutò i Seahawks a ribaltare uno svantaggio di 19-7 a cinque minuti dal termine nella finale della NFC contro i Packers segnando una conversione da 2 punti su un passaggio da 15 yard di Wilson a un minuto e mezzo dal termine, andando poi a vincere ai supplementari e qualificandosi per il secondo Super Bowl consecutivo, poi perso contro i New England Patriots[11][12].
L'unico touchdown della stagione 2015, Willson lo segnò nell'ottavo turno in casa dei Dallas Cowboys. Nella seconda parte dell'anno divenne titolare a causa dell'infortunio di Jimmy Graham, chiudendo con 17 ricezioni per 213 yard.
Il primo touchdown del 2016, Wilson nella vittoria della settimana 15 contro i Los Angeles che diede a Seattle la certezza del titolo di division[13].
Detroit Lions
Il 21 marzo 2018, divenuto free agent, Willson firmò un contratto annuale del valore di 2,5 milioni di dollari con i Detroit Lions.
Oakland Raiders
Il 29 marzo 2019, Willson firmò con gli Oakland Raiders,[14] da cui fu svincolato il 30 agosto 2019.[15]
Seattle Seahawks
Il 25 settembre, Willson firmò per fare ritorno ai Seattle Seahawks dopo che la squadra ebbe scambiato il tight end Nick Vannett con i Pittsburgh Steelers.[16]
Willson rifirmò con i Seahawks il 21 aprile 2020.[17]
