Zwischen 1887 und 1892 unternahm Balmer mehrere Reisen mit langen Aufenthalten in Paris, den Niederlanden, London und Rom. Balmer unterrichtete auch als Zeichenlehrer an der Bezirksschule in Böckten und förderte das Talent von Emilio Müller. Es folgten Studienreisen nach Italien, Belgien, Holland, England, Paris und Le Havre, wo er seine spätere Frau Alice Vieillard kennen lernte und 1893 in der Schweiz heiratete. Zusammen hatten sie vier Kinder.
Als 1892 Balmer in die Schweiz nach Basel zurückkehrte, erhielt er eine Reihe von Porträtaufträgen. Es entstanden zahlreiche Bildnisse von Kindern und Erwachsenen, mehrfach porträtiert er auch seine Kinder sowie seine Frau und beschäftigte sich als Radierer. 1897 zog er für fünf Jahre nach München und Emil Schill konnte sein Atelier an der Alemannengasse übernehmen.
Für die Erneuerung der Fassadenmalerei am Basler Rathaus schuf Balmer ab 1900 verschiedene Fassadenbilder.
1903 erstellte er an der Innenhoffassade ein Gemälde mit der Gesandtschaft der Eidgenossenschaft, die seinerzeit in Basel Einzug hielt, und Kaiser Heinrich II., der darauf hinweist, dass sich dies am Heinrichstag ereignete.
1903 hielt er sich in Florenz und 1906 in Spanien auf. Ab 1908 wohnte er bis zu seinem Tod auf dem Anwesen Rörswil in Ostermundigen. In Bern schuf er mit seinem Studienfreund Albert Welti das grosse fünfteilige Fresko Die Landsgemeinde an der Südwand im Ständeratssaal des Bundeshauses in Bern. Bevor Welti 1912 starb, konnte dieser nur drei von den fünf Wandbilder vollenden. Balmer hat von 1912 bis 1914 nach Skizzen von Welti und eigenen Skizzen das ganze Bild zum Abschluss gebracht. Anschliessend widmete er sich zurückgezogen vor allem Interieurs und Bildnissen. Balmer war Zentralpräsident der Gesellschaft Schweizerischer Maler, Bildhauer und Architekten.<ref>Schweizer Ingenieur und Architekt: Restaurierung der Marktplatzfassade des Basler Rathauses. Abgerufen am 1. November 2019.</ref>
Wilhelm Balmer: In seinen Erinnerungen. Herausgegeben von Francis Kervin: Erlenbach-Zürich u. Leipzig: Rotapfel-Verlag 1924
Wilhelm Balmer: Wilhelm Balmers Erinnerungen. In: Die Kunst für alle: Malerei, Plastik, Graphik, Architektur. Jg. 40, Heft 8 (Mai 1925), S. 241–242 (digi.ub.uni-heidelberg.de).
Ausst.-Kat.: Ernst Kreidolf und seine Malerfreunde. Bern/Konstanz (Kunstmuseum Bern/Städt. Wessenberg-Galerie) 2006/2007.
Ausst.-Kat.: Idylle auf Zeit. Malerferien am Untersee 1880 bis 1914. Konstanz (Städt. Wessenberg-Galerie) 2009.
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