Il a joué le personnage récurrent Marty dans dix épisodes de Gilmore Girls au cours des quatrième, cinquième et septième saisons après avoir été découvert par les cocréateurs de Gilmore Girls, Amy Sherman-Palladino et Dan Palladino, alors qu’il travaillait comme serveur au Mercer Kitchen à SoHo.

Wilcox est également apparu dans la production du Goodman Theater de la nouvelle d’Elizabeth Spencer The Light in the Piazza dans le rôle de Fabrizio aux côtés de Celia Keenan-Bolger dans le rôle de Clara, et dans la production off-Broadway de The Great American Trailer Park Musical en 2005 dans le rôle de Leo/Duke. En 2006, il joue dans l’adaptation off-Broadway de Suddenly Last Summer, une pièce de Tennessee Williams, par la Roundabout Theatre Companies, dans le rôle de George Holly ; Carla Gugino et Blythe Danner ont également joué dans ce projet.

Il a un petit rôle dans le film Interview avec Steve Buscemi et Sienna Miller, dont la première américaine a eu lieu au festival du film Sundance 2007. Wayne a également joué le rôle de l’adulte Alexander Ashbrook dans Coram Boy, une version de Broadway de la production à succès du National Theater of London de 2006, qui a débuté en mai 2007.

En 2011, il était dans The Normal Heart.

Avant de passer à Broadway, au cinéma et à la télévision, il a fait partie du groupe Kids Unlimited de Tim Hanes à Knoxville, TN.

Il était Sydney Chaplin dans Chaplin : the Musical en 2012.

D’avril à juin 2015, il a participé à la première de Sense and Sensibility de Paul Gordon au Chicago Shakespeare Theatre, en interprétant le rôle d’Edward Ferrars.

En 2018, il a joué le personnage de Ray dans une web-série, Only Children, pour laquelle il a été nommé pour le meilleur acteur principal – drame aux Indie Series Awards 2019.