Studiował w latach 1911-17 w Cesarskim Konserwatorium w Moskwie u Alfreda von Glehna (wiolonczela). Równocześnie pobierał prywatne lekcje u Bolesława Jaworskiego (kompozycja). W latach 1919-23 kontynuował studia w Konserwatorium w Warszawie w klasie kompozycji Romana Statkowskiego i dyrygenturę pod kierunkiem Emila Młynarskiego, uzyskując dyplom z wyróżnieniem. Jednocześnie w latach 1919-21 pracował jako wiolonczelista w orkiestrze Opery Warszawskiej. W 1924 został zaangażowany jako pierwszy wiolonczelista w Orkiestrze Filharmonii Łódzkiej. W latach 1925-29 związał się zawodowo z Konserwatorium Muzycznym Heleny Kijeńskiej-Dobkiewiczowej w Łodzi. Od 1926 do 1934 był pierwszym wiolonczelistą i dyrygentem Filharmonii Warszawskiej. W latach 1932-34, jako stypendysta Funduszu Kultury, odbył kurs dyrygentury u Hermana Scherchena w Szwajcarii. W latach 1934-39 był dyrektorem Konserwatorium Polskiej Macierzy Szkolnej w Gdańsku.
Okres okupacji spędził w Warszawie. Po wojnie, w latach 1945-47 był rektorem i profesorem dyrygentury Państwowej Wyższej Szkoły Muzycznej w Łodzi. Od 1947 do 1952 pełnił funkcję dyrektora i pierwszego dyrygenta Państwowej Filharmonii i Opery we Wrocławiu, będąc jednocześnie profesorem dyrygentury, a w latach 1950-52 dziekanem Wydziału I Państwowej Wyższej Szkoły Muzycznej we Wrocławiu. W latach 1952-57 był dyrektorem Państwowej Opery i Filharmonii w Gdańsku oraz profesorem Państwowej Wyższej Szkoły Muzycznej w Sopocie. Od 1957 działał ponownie we Wrocławiu: od 1961 jako dyrektor artystyczny i dyrygent Państwowej Opery we Wrocławiu oraz w latach 1961-63 jako dyrygent Filharmonii Wrocławskiej. Od 1963 mieszkał w Warszawie, gdzie pełnił funkcję kierownika Katedry Kameralistyki Państwowej Wyższej Szkoły Muzycznej, a w latach 1970-74 - prezesa Zarządu Głównego SPAM.
Kazimierz Wiłkomirski był laureatem wielu nagród i odznaczeń państwowych, m.in. otrzymał dwukrotnie Złoty Krzyż Zasługi, Krzyż Oficerski i Krzyż Komandorski Orderu Odrodzenia Polski, Order Sztandaru Pracy I i II klasy, Medal Komisji Edukacji Narodowej, dwukrotnie Nagrodę Ministra Kultury i Sztuki.
Ważniejsze kompozycje:
- Dwa preludia na wiolonczelę i fortepian (1918)
- Scherzo na wiolonczelę i fortepian (1918)
- Ballada na wiolonczelę i fortepian (1918)
- Sonata na skrzypce i fortepian (1919)
- Sonata na fortepian (1920)
- Symfonia (1922)
- Requiem na głosy solowe, chór i orkiestrę (1923)
- Poemat na wiolonczelę i fortepian (1924)
- Ballada na skrzypce i fortepian (1926)
- Jungfrau, poemat symfoniczny - recytacyjny na głos i orkiestrę (1930)
- Msza na głosy solowe, chór i organy (1937)
- Kwartet smyczkowy (1942)
- Aria na wiolonczelę i fortepian (1943)
- Suita kaszubska na orkiestrę dętą (1946)
- Prorok, kantata na baryton solo i orkiestrę (1950)
- Symfonia koncertująca na wiolonczelę i orkiestrę (1950)
- Dwanaście etiud na wiolonczelę solo (1950)
- Kantata wrocławska na sopran, chór mieszany i wielką orkiestrę symfoniczną (1951)
- Cztery utwory (pedagogiczne) na wiolonczelę i fortepian (1952)
- Kantata gdańska na głosy solowe, chór mieszany i orkiestrę symfoniczną (1955)
- Kantata o św. Jacku na głosy solowe, chór mieszany i orkiestrę symfoniczną (1957)
- Kwartet na 4 wiolonczele (1961)
- Wołanie moje na głos z fortepianem (1962)
Opracowanie: Polskie Centrum Informacji Muzycznej, Związek Kompozytorów Polskich, marzec 2003.