Ele interpretou o personagem recorrente Marty em dez episódios de Gilmore Girls na quarta, quinta e sétima temporadas depois de ter sido descoberto pelos co-criadores de Gilmore Girls Amy Sherman-Palladino e Dan Palladino enquanto trabalhava como garçom na Cozinha Mercer no SoHo.

Wilcox também apareceu na produção do Goodman Theater da novela de Elizabeth Spencer The Light na Piazza como Fabrizio ao lado de Celia Keenan-Bolger como Clara, e na produção off-Broadway de The Great American Trailer Park Musical em 2005 como Leo/Duke. Em 2006, atuou nas Companhias de Teatro Roundabout fora da Broadway na adaptação de Suddenly Last Summer, uma peça do Tennessee Williams, como George Holly; Carla Gugino e Blythe Danner também atuaram no projeto.

Ele tem um pequeno papel no filme Entrevista com Steve Buscemi e Sienna Miller, que teve sua estréia nos EUA no Sundance Film Festival 2007. Wayne também interpretou Adult Alexander Ashbrook em Coram Boy, uma versão da Broadway da bem-sucedida produção de 2006 do National Theater of London, que estreou em maio de 2007.

Em 2011, ele esteve em The Normal Heart.

Antes de se mudar para a Broadway, cinema e televisão, ele fez parte do Kids Unlimited de Tim Hanes em Knoxville, TN.

Ele foi Sydney Chaplin em Chaplin: the Musical em 2012.

Desde Abril-Junho de 2015, esteve na estreia de Sense and Sensibility de Paul Gordon no Chicago Shakespeare Theatre, originando o papel de Edward Ferrars.

Em 2018, interpretou o personagem de Ray numa série web, Only Children, para a qual foi nomeado para Melhor Actor Principal – Drama no Indie Series Awards 2019.