Debutó en el Clausura 2012 por la quinta fecha frente a Deportes Iquique ingresando al 86' por César Cortés en la goleada por 4-1.

[4]​ Anotó su primer triplete en su carrera el 22 de mayo en el entretenido triunfo por 5-4 sobre Deportes Concepción anotando no 3 si no un póker de goles (o sea, 4 goles en un mismo partido).

En el Apertura 2014 lograría afianzarse como titular y siendo una de las figuras del equipo junto a Martín Rodríguez y Angelo Sagal también aprovechando la lesión de su compañero Lucas Simón, quedando él como único "9" del equipo.

El 30 de agosto volvió a marcar por la séptima fecha en la goleada por 4-0 ante Santiago Wanderers anotando un tanto.

[12]​ Tras el final del torneo se le vinculaba con Universidad Católica de cara al Clausura 2015 pero el propio futbolista desmintió esto y declaró que está feliz en la institución y que seguirá al menos 6 meses más.

La ida se jugó el 30 de septiembre en tierras brasileñas, específicamente en el Estadio Morumbi y donde tras un trabajado partido los brasileños ganaron por la cuenta mínima con solitario gol de Michel Bastos.

Jugó 6 encuentros por la Copa Sudamericana 2014 marcando en 5 ocasiones y además siendo el goleador del torneo continental junto a Miler Bolaños,[20]​ además como dato todos sus goles fueron marcados en territorio nacional y también anotando en todas las llaves, sumando 540' (Jugando todos los minutos que disputó Huachipato en la copa).

En el Torneo de Clausura 2015 Vilches seguiría subiendo su rendimiento siendo el punto alto del equipo que lo terminó clasificando a la Copa Sudamericana 2015 tras terminar en el tercer lugar de la tabla con 31 puntos en 17 fechas, a solo 3 del campeón Cobresal y uno del sublíder Colo-Colo, en la tabla acumulada terminaron cuartos clasificándose como Chile 2 a la Sudamericana.

[26]​ El 25 de julio debutó en torneos nacionales defendiendo la camiseta alba en la Fecha 1 del Apertura 2015 ante Unión Española, ingreso al minuto 75' por Martín Rodríguez, autor de los 2 goles del triunfo albo por 2-1 en el Estadio Santa Laura.

El 2 de diciembre se jugó la final de la Copa Chile 2015, donde se enfrentaban a su clásico rival la Universidad de Chile en el Estadio La Portada, albos y laicos empatarían 1-1 en los 90' minutos en La Serena y en penales la "U" sería más y vencería por 5-3,[31]​ Johnny Herrera pateó el penal del título, En cuanto a Vilches jugó hasta el 71' siendo reemplazado por Delgado, en dicha copa jugó 12 partidos y anotó 3 goles.

[34]​ El 16 de marzo Vilches debutaba en la Copa Libertadores 2016 ante Atlético Mineiro en Belo Horizonte ingresando al 76' por Martín Tonso en contundente derrota por 3-0 por la fecha 4 del Grupo 5,[35]​ cuatro días después el 20 de marzo se jugaba una nueva edición del clásico del fútbol chileno, Vilches comando el ataque del popular jugando los 90 minutos (en reemplazo de Esteban Paredes que estaba lesionado) y siendo este su primer "Superclásico" de titular en el aburrido empate 0-0 contra los azules.

Vilches se coronó campeón de la Copa Chile 2016 con Colo-Colo participando en un partido.

Para la Temporada 2017, no tendría muchas oportunidades por sus constantes lesiones y decisión técnica.

Volvería a jugar en la octava fecha ingresando al minuto 65' por Carlo Villanueva en la victoria por la cuenta mínima sobre la Católica.

Eso serían los dos partidos que jugó por el Torneo de Transición y estuvo 124 minutos en cancha en el cuadro que salió campeón tras golear 3-0 a la Universidad de Concepción.

Tras tener escasas posibilidades de jugar se fue cedido a la Universidad Católica.