Willemsen behaalde in 1891 op 16-jarige leeftijd het diploma L.O. tekenen en in 1892 het diploma M.O. tekenen en genoot verder zijn opleiding bij Kunstoefening in Arnhem, de Rijksakademie van beeldende kunsten in Amsterdam en de Tekenacademie in Antwerpen. Zijn leermeesters waren August Allebé, Sieger Baukema, en Willem Anthonie van de Gumster.
Willemsen werkte vanaf 1882 in Amsterdam, vanaf 1886 in Arnhem, vanaf 1887 in Antwerpen. Verder werkte hij in Den Haag, Uddel, Baarn en Parijs. Willemsen maakte landschappen, dorpsgezichten, stillevens en portretten.