Audrée Wilhelmy fait partie de la première génération d'auteurs québécois dont l'ensemble de la formation est consacrée à la création littéraire. Après un baccalauréat en création littéraire à l'Université du Québec à Montréal (UQAM) et une maîtrise en écriture littéraire à l'Université McGill, elle publie la partie création de son mémoire sous le titre "Oss". Le livre paraît en août 2011 aux éditions Leméac. En 2012, "Oss" est en nomination pour le Prix des libraires du Québec et finaliste aux Prix du Gouverneur général du Canada.

Son deuxième roman, Les Sangs, est rédigé dans le cadre d'un doctorat en études et pratiques des arts (UQAM). Parallèlement à l'écriture du roman, elle mène des recherches sur la fonction de l'image dans le processus d'écriture. Les Sangs paraît chez Leméac en août 2013 et est repris par les éditions Grasset & Fasquelle en mars 2015. Au Québec, l'ouvrage est finaliste aux Prix des libraires du Québec (2014) et au Prix France-Québec (2014), tandis qu'en France, il remporte ex aequo le Prix Sade (2015). Le texte est adapté au théâtre par Camila Forteza et Anneke Brier (mise en scène de Camila Forteza) en mai 2017 et par Jean-François Guilbault en juin 2018. En septembre de la même année, il paraît en espagnol sous le titre Las Sangres, chez Hoja de Lata, dans une traduction de Luisa Lucuix.

En janvier 2014, elle reçoit la bourse « écrivain » de la Fondation Jean-Luc Lagardère, remise pour la poursuite de son travail littéraire. Elle soutient sa thèse, intitulée "L'image en amont du texte littéraire", en décembre 2015. Dès janvier 2016, elle poursuit ses travaux en recherche-création dans le cadre d'un stage postdoctoral à l'Université de Montréal. En octobre 2016, elle est reçue pour une résidence d'écriture à la Villa Médicis de l'Académie de France à Rome.

En décembre 2017, elle quitte le milieu académique pour se concentrer sur son travail de romancière. Parallèlement à l'écriture, elle se forme en photographie et pratique le portrait et la photographie d'art.

Son troisième roman, Le Corps des bêtes, est publié chez Leméac en août 2017 et aux éditions Grasset & Fasquelle en mars 2018. Le roman est sélectionné pour le Prix des libraires du Québec, finaliste au Prix littéraire des collégiens, aux Prix SGDL Révélations de la Société des gens de lettres, au Prix France-Canada 2019 ainsi que pour le Prix du Roman d'Écologie 2019. Il paraîtra en anglais le 3 septembre 2019 sous le titre "The Body of the Beasts" chez House of Anansi Press.

En octobre et novembre 2018, elle est reçue comme écrivaine en résidence au Centre d'arts de Banff. Elle s'y consacre à l'écriture de son quatrième roman, Blanc Résine qui paraît en septembre 2019 chez Leméac. Finaliste au Prix des libraires du Québec 2020 et au Grand Prix du livre de Montréal 2020, ce roman prolonge la lignée de femmes qu'elle met en scène dans ses romans Oss et Le Corps des bêtes.