La începutul zilei de 17 octombrie, benzile de ploaie exterioare, care controlaseră anterior structura ciclonului, s-au disipat, în timp ce convecția profundă s-a dezvoltat în apropierea și la sud de centru. Modelele computerizate au prezis o întărire constantă pe măsură ce depresiunea se deplasa spre vest înainte de a se întoarce spre nord. Dintre modelele de intensitate, Laboratorul de dinamică a fluidelor geofizice a prezis o intensitate de 135 mph (215 km/h) în 36 de ore, alte prognoze fiind mai conservatoare în previziunile lor. Convecția profundă a continuat să se dezvolte la sud de centru, iar depresiunea s-a consolidat în furtuna tropicală Wilma la ora 0600 UTC pe 17 octombrie, în timp ce se afla la aproximativ 320 km (200 mile) la sud-est de Grand Cayman. Imediat după ce a devenit furtună tropicală, Centrul Național pentru Uragane a prevăzut că Wilma se va îndrepta spre vest-nord-vest, atingând vânturi de 105 mph (170 km/h) înainte de a lovi porțiunea nord-estică a Peninsulei Yucatán. Furtuna a continuat spre sud-vest, în timp ce o convecție profundă s-a așezat în apropierea centrului. James Franklin, meteorolog al Centrului Național pentru Uragane, a declarat: "Încrederea în ultimele intervale [ale traiectoriei prognozate] a fost neobișnuit de scăzută", din cauza divergențelor mari între modelele computerizate. La sfârșitul zilei de 17 octombrie, un zbor al Hurricane Hunters către Wilma a înregistrat vânturi de 80 km/h (50 mph), dar o presiune neobișnuit de scăzută de 989 mbar (29,21 inHg), ceea ce ar fi mai tipic pentru un uragan minim. Acest lucru s-a datorat unei serii de presiuni scăzute neobișnuite în întreaga regiune, ceea ce a dus la un gradient de presiune mai mic și, prin urmare, la vânturi mai ușoare. Convecția a continuat să se dezvolte în apropierea centrului și a devenit mult mai simetrică.
Furtuna tropicală Wilma a început să se îndrepte spre vest-nord-vest pe 18 octombrie, timp în care furtuna a dezvoltat un ochi mic, intermitent și neregulat, precum și un ochi la nivel mediu. Aceasta a continuat să se întărească, iar la ora 1200 UTC din 18 octombrie, Wilma s-a transformat într-un uragan de categoria 1, în timp ce se afla la aproximativ 225 mile (360 km) la sud-sud-est de Grand Cayman. La scurt timp după ce a atins puterea de uragan, uraganul a început să se adâncească exploziv, după ce s-a format un ochi "pinhole" cu un diametru de 14 km (9 mile). Acest ochi mic a fost înconjurat de un inel de convecție profundă, cu temperaturi la vârful norilor de aproximativ -87 °C (-125 °F).
La începutul zilei de 19 octombrie, Wilma a dobândit statutul de uragan major, continuând să se intensifice rapid, iar până la ora 0600 UTC, vânturile maxime susținute ale furtunii au crescut la 275 km/h (170 mph), făcând din Wilma un uragan periculos de categoria 5 pe scara Saffir-Simpson Hurricane Scale. În doar 24 de ore, Wilma s-a intensificat de la o furtună tropicală de 110 km/h la un uragan de categoria 5 de 280 km/h, un eveniment care nu s-a mai întâmplat niciodată în cazul unui uragan din Atlantic. Ochiul a continuat să se contracte până la un diametru de aproximativ 3 mile (5 km), cel mai mic ochi cunoscut al unui uragan din Atlantic, iar la ora 1200 UTC, pe 19 octombrie, Wilma a atins un vârf de vânt de 185 mph (300 km/h). Presiunea centrală a scăzut rapid cu 54 mbar (1,65 inHg) între orele 0000 și 0600 UTC.
La ora 8.00 UTC, un zbor al Hurricane Hunters a înregistrat o presiune centrală minimă de 884 mbar (26,10 inHg) într-o dropsondă aflată în apropierea centrului ochiului extrem de mic. Deoarece dropsonda nu a atins vânturile calme din centru, presiunea a fost estimată la 882 mbar (26,05 inHg), cea mai mică presiune înregistrată vreodată într-un uragan din Atlantic. Presiunea a continuat să scadă pe măsură ce vânătorii de uragane au părăsit uraganul și este posibil ca presiunea să fi fost puțin mai mică. Din punct de vedere operațional, intensitatea maximă a fost estimată la 175 mph (280 km/h). În momentul în care a atins intensitatea maximă, vânturile cu forța unui uragan se întindeau la numai 50 de mile (85 km) de la centrul mic al lui Wilma, iar vânturile cu forța unei furtuni tropicale se întindeau la numai aproximativ 160 de mile (260 km).