В 16 лет Вильма уже пробилась в олимпийскую сборную страны; к тому времени она уже определилась со своей специализацией и целенаправленно занималась легкой атлетикой. Дебютировала на Олимпийских играх Рудольф в 1956-м, в Мельбурне (Melbourne); н эстафете '4 по 100 метров' она сумела выиграть бронзу.
Куда как успешнее, однако, была для Вильмы следующая летняя Олимпиада, в Риме; она сумела выиграть сразу в трех категориях – забег на 100 метров, забег на 200 метров и все та же эстафета '4 по 100'. Под палящим солнцем (температура надежно обосновалась за отметкой в 40 градусов) и на глазах у 80 тысяч зрителей Рудольф продемонстрировала всем, что значит настоящая воля к победе. Её результат на 200-х метрах стал новым олимпийским рекордом; 100-метровку Вильма пробежала не хуже, но здесь ей рекорд не зачли – спортсменке помогал ветер. Двойная побед завоевала Рудольф звание 'быстрейшей женщины в истории'. 11-го сентября 1960-го Вильма вместе с Мартой Хадсон (Martha Hudson), Люсиндой Уильямс (Lucinda Williams) и Барбарой Джонс (Barbara Jones) победила еще и в эстафете.
В 1962-м Вильма оставила легкую атлетику; на тот момент ей было всего 22 года. Через год она поступила по стипендии в Государственный Университет Теннесси (Tennessee State University); там спортсменка получила степень бакалавра по начальному образованию. Некоторое время она преподавала, учила молодых легкоатлетов и даже была спортивным комментатором.
В 1963-м Рудольф вышла замуж з своего давнего – еще со школьной скамьи – возлюбленного Роберта Элдриджа (Robert Eldridge); у них было четверо детей – Иоланда (Yolanda), Дьюанна (Djuanna), Роберт-младший (Robert) и Ксарри (Xurry). Позднее Элдридж и Рудольф разошлись.
В июле 1994-го Вильме поставили страшный диагноз – рак мозга и гортани. 12-го ноября 1994-го она скончалась в своем доме в Нэшвилле, Теннеси (Nashville, Tennessee); на момент смерти бывшей спортсменке было всего 54 года. 17-го ноября 1994-го в Государственном Университете Теннесси прошла мемориальная служба в её честь. В знак траура по всему штату были приспущены флаги