到10月17日早些时候，之前控制气旋结构的外围雨带消散，而中心附近和南部的深层对流发展起来。计算机模型预测，随着低气压向西移动，稳步加强，然后转向北方。在强度模型中，地球物理流体动力学实验室预测36小时内强度为135英里/小时(215公里/小时)，其他预报的预测比较保守。深层对流继续向中心南部发展，10月17日世界协调时6时，低气压加强为热带风暴威尔玛，同时在大开曼岛东南方向约200英里（320公里）处。就在成为热带风暴之后，国家飓风中心预测威尔玛将向西北偏西方向追踪，在袭击尤卡坦半岛东北部之前达到105英里/小时（170公里/小时）的风速。风暴继续向西南方向移动，同时中心附近有深层对流。国家飓风岑岭预报员詹姆斯-富兰克林说，"在（预报轨迹）后期范围的信心异常低迷"，因为计算机模型之间的分歧很大。10月17日晚些时候，"飓风猎人"飞入威尔玛的飞行记录显示，风速为50英里/小时（80公里/小时），但气压异常低，为989毫巴（29.21英寸汞柱），这将是更典型的最小飓风。这是因为整个地区出现了一些不寻常的低压，导致压力梯度较小，因此风速较轻。对流继续在中心附近发展，变得更加对称。
热带风暴"威尔玛"于10月18日开始转向西北偏西方向，在此期间，风暴形成了一个小的、间歇性的、粗糙的风眼特征以及一个中层风眼特征。它继续加强，在世界协调时10月18日12时，威尔玛在大开曼岛东南方向约225英里（360公里）处加强为一级飓风。在达到飓风强度后不久，飓风开始发生爆炸性的加深，随后形成了一个直径9英里（14公里）的"针孔"眼。这个小眼被一圈深层对流包围，云顶温度约为-125°F（-87°C）。
10月19日早些时候，威尔玛达到了主要飓风的状态，同时继续迅速增强，到世界协调时0600点，风暴的最大持续风速增加到170英里/小时（275公里/小时），按照萨菲尔-辛普森飓风等级，威尔玛成为危险的5级飓风。在短短24小时内，"威尔玛"从时速70英里(110公里/小时)的热带风暴加强为时速175英里(280公里/小时)的5级飓风，这是大西洋飓风从未发生过的事件。眼球继续收缩到直径约3英里（5公里），这是已知的大西洋飓风中最小的眼球，在世界协调时10月19日12时，威尔玛达到了185英里/小时（300公里/小时）的峰值风速。世界协调时零时至6时，中心气压迅速下降了54毫巴（1.65英寸汞柱）。
世界协调时8时，"飓风猎人"的一次飞行记录到，在这个极小的眼球中心附近的一个水滴中，中心最低压力为884毫巴（26.10英寸汞柱）。由于水滴型飓风没有达到中心的平静风向，压力估计为882毫巴（26.05英寸汞柱），这是有记录以来大西洋飓风的最低压力。飓风猎手离开飓风后，压力继续下降，有可能压力还要更低一些。操作上，峰值强度估计为175英里/小时（280公里/小时）。在其强度达到峰值时，飓风力风向距离威尔玛小中心仅有50英里（85公里），热带风暴力风向仅有约160英里（260公里）。
