Willmersdorf wurde 1381 in einem Teilungsvertrag der Schwarzburger Grafen erstmals als "Wilhelmstorff" erwähnt. Das Willmersdorfer Wappen zeigt einen Schacht mit einer Seilwinde, was auf den Erzbergbau in der Willmersdorfer Flur hindeutet. Schon 1486 wurde in einer Schwarzburger Amtsrechnung von Einnahmen des Erzbergbaus auf dem Langen Berg berichtet. Seit 1565 gehörte Willmersdorf zum Amt Gehren und damit zum späteren Fürstentum Schwarzburg-Sondershausen. Der Ort hatte damals 178 Einwohner.
Bis zum 19. Jahrhundert lebten die Menschen hauptsächlich von der Landwirtschaft, von der Holzverarbeitung, vom Weberhandwerk und vom Fuhrmannswesen. Anfang des 20. Jahrhunderts gab es im Dorf drei kleine Fabriken, in denen Holzspielwaren, Puppen und Glasinstrumente hergestellt wurden.
Nach der Abdankung des letzten Schwarzburger Fürsten Günther Victor wurde Willmersdorf dem Kreis Arnstadt, 1952 dem Kreis Ilmenau im Bezirk Suhl zugeordnet.
Die höchste Einwohnerzahl Willmersdorfs wurde 1849 mit 428 Personen erreicht. Heute zählt das Dorf noch etwa 230 Einwohner. Trotz der geringen Einwohnerzahl entwickeln die Willmersdorfer viele Aktivitäten. So wurde 2006 mit der 625-Jahrfeier des Ortes das bisher größte Fest der Geschichte gefeiert.
Die bekannten "Märchentanten" zeigen in der Adventszeit ihr Können in einer schönen Märchenaufführung. Sie organisieren auch die beliebten Oster-und Weihnachts- bzw. Wintermärkte.
Die Willmersdorfer "Heimatfreunde" versuchen, die Geschichte des Ortes aufzuspüren. Ihre Ergebnisse präsentieren sie jährlich in einer gut besuchten Veranstaltung.
Der Willmersdorfer Reitverein lädt jedes Jahr zu einem großen Reitfest der besten Reiter Thüringens ein.
2019 wurde nach längerer Pause wieder eine ansprechende Kirmeswoche von der Kirmesgesellschaft organisiert. Durch den Erfolg wurde gleich mit einem Oktoberfest nachgelegt.
Jetzt entsteht aus diesem beispielhaften Teamwork ein eingetragener Verein.
