Bilic assumiu o cargo na Vicarage Road em setembro, com o clube em 10º lugar no Campeonato.
Ele e sua equipe técnica deixam o antigo clube da Premier League no nono lugar, mas a quatro pontos dos playoffs e com apenas uma vitória em seus últimos oito jogos do campeonato.
"Estamos todos ambiciosos para ter sucesso nesta temporada, então algo novo é necessário rapidamente enquanto a oportunidade de promoção ainda é real", disse o diretor técnico do Watford, Ben Manga, ao site do clube.
"Com a janela de transferências de janeiro encerrada, mudar de treinador é a única opção disponível para reerguer-se para os jogos finais que estão por vir".
Bilic anteriormente treinou o West Ham e o West Bromwich na Premier League e é o 18º técnico do Watford a perder seu emprego desde que a família italiana Pozzo assumiu o clube em 2012.
Wilder, 55 anos, ajudou o Sheffield United a ganhar a promoção da 3ª para a 2ª divisão e, finalmente, para a Premier League em três anos. Mais recentemente, ele foi técnico do Middlesbrough.