Mühlmann studierte Anthropologie, Ethnologie und Soziologie in Freiburg i. Br. und Berlin. Nach seiner Promotion arbeitete er in völkerkundlichen Museen in Berlin und Hamburg. Von 1939 bis 1945 war er Dozent für Völkerpsychologie und Ethnologie in Berlin. Ab 1950 lehrte er Ethnologie und Soziologie in Mainz und von 1960 bis zu seiner Emeritierung 1970 in Heidelberg. Er führte Forschungsreisen nach Indien, Südostasien und Sizilien durch.
Mühlmann kam von der physischen Anthropologie, von der ausgehend er sich in den 1930er Jahren zunächst sozialbiologischen Siebungs- und Ausleseprozessen zuwandte. Er war der Auffassung, daß zum Verständnis der sozialbiologischen Selektions- und Ausleseprozesse in einer Gesellschaft die Kenntnis ihrer Kultur notwendig ist. Die Darstellung soziologischer Tatsachen nimmt daher auch schon in seiner Rassen- und Völkerkunde von 1936 einen breiten Raum ein. Sie unterscheidet sich dadurch von der bis dahin noch überwiegend beschreibenden Rassenkunde.
Mühlmann interessierte sich vor allem für die Dynamik sozialbiologischer und ethnogenetischer Vorgänge. Standen hier zunächst noch die innervölkischen Siebungsprozesse im Mittelpunkt, so wendete er sich bald schon den Problemen von ethnischen Kontakten und Assimilationsprozessen zu. Sein methodischer Ansatz war dabei ein phänomenologisch-funktionaler, er faßte die Ethnologie als die „soziologische Theorie interethnischer Systeme“ auf, zu deren Gegenstand auch die europäischen Völker gehören. Mühlmann unterschied zwischen der Rasse im biologischen Sinn und der Rasse im soziologischen Sinn.
In der Spannweite der menschlichen Kulturerscheinungen sah er den Ausdruck der biologisch begründeten Modifikationsbreite des Menschen. Er betonte den Wert der Intuition auf der Grundlage breiten Wissens bei der Beschreibung von soziologischen Typen im Sinne Max Webers. In seinen empirischen Forschungen befaßte sich Mühlmann vor allem mit der Ethnologie Polynesiens, der Sozialpsychologie nativistischer Bewegungen als Reaktion auf die westliche Kolonisierung, mit Mahatma Gandhi und patriarchalischen Klientelsystemen auf Sizilien.
Schriften: Studien zur Kultur- und Sozialbiologie, in: Archiv für Rassen- und Gesellschaftsbiologie 23 (1931); Ausleseprozesse in der menschlichen Gesellschaft, in: Bremer Beiträge zur Naturwissenschaft, Bremen 1933; Rassen- und Völkerkunde, Braunschweig 1936; Methodik der Völkerkunde, Stuttgart 1938; Krieg und Frieden, Heidelberg 1940; Assimilation, Umvolkung, Volkwerdung, Stuttgart 1944; Die Völker der Erde, Berlin 1945; Geschichte der Anthropologie, Bonn 1948 (3. Auflage Wiesbaden 1984); Ethnische Aufstiegsassimilation und Rassenwandel, in: Homo 1 (1949); Zur Theorie der sozialen Siebung, in: Jahrbuch für Sozialwissenschaft 1 (1950); Mahatma Gandhi, Tübingen 1950; Ethnologie als soziologische Theorie der interethnischen Systeme, in: Kölner Zeitschrift für Soziologie und Sozialpsychologie 8 (1956); Homo Creator. Abhandlungen zur Soziologie, Anthropologie und Ethnologie, Wiesbaden 1962; Rassen, Ethnien, Kulturen. Moderne Ethnologie, Neuwied 1964.
Literatur: H.P. Henecka: Mühlmann, Wilhelm Emil, in: Internationales Soziologenlexikon, Bd. 2, Stuttgart 1984; Ernst Wilhelm Müller: Wilhelm Emil Mühlmann †, in: Zeitschrift für Ethnologie 114 (1989); Ilse Schwidetzky, Ilse: Wilhelm Emil Mühlmann und die Anthropologie, in: Homo 38 (1987), erschienen 1989.