5 maja 2010 objął mandat posła VI kadencji w miejsce Aleksandry Natalli-Świat, która zginęła w katastrofie polskiego Tu-154 w Smoleńsku. W październiku tego samego roku został wykluczony z PiS po tym, jak w kampanii samorządowej wsparł Sławomira Piechotę, kandydata PO na prezydenta Wrocławia. W listopadzie 2010 został członkiem nowo utworzonego klubu parlamentarnego stowarzyszenia Polska Jest Najważniejsza. W sierpniu 2011 zrezygnował z członkostwa w KP PJN w związku z przyjętą propozycją kandydowania z ramienia PO do Senatu. Tym samym Polska Jest Najważniejsza utraciła status klubu parlamentarnego. Wiesław Kilian został następnie przyjęty do KP Platformy Obywatelskiej.
W wyborach parlamentarnych w 2011 był bezpartyjnym kandydatem do Senatu z ramienia PO. Uzyskał mandat senatorski, otrzymując 35 461 głosów. W 2015 (już jako członek PO) z powodzeniem ubiegał się o reelekcję, uzyskując 36 383 głosy.
Zmarł w trakcie kadencji 15 marca 2019 w Warszawie. Jego pogrzeb odbył się 22 marca w rodzinnej wsi Ożary.