Дени Вильнев родился 3 октября 1967 года в Квебеке, учился в университете Монреаля. У него есть родной брат Мартин, тоже режиссер и сценарист.
Как режиссер Дени Вильнев прославился своим первым же полнометражным фильмом «Водоворот». Он завоевал множество наград на фестивалях по всему миру ( в том числе – главный приз на фестивале Торонто).
Карьера Вильнева резко пошла в гору после его фильма «Пожары», который получил высокую оценку критиков на Венецианском кинофестивале и многих других киносмотрах. Фильм представлял Канаду на премии «Оскар» в категории «Лучший фильм на иностранном языке».
В 2013 году вышли ленты «Враг» (издание The New York Times включило фильм в десятку лучших в этом году) и «Пленницы» со звездами Хью Джекманом и Джейком Джилленхоллом.
После такого успеха Вильнев пригласил Эмили Блант, Бенисио дель Торо и Джоша Бролина сниматься в своем остросюжетном фильме «Убийца», который впоследствии был номинирован на «Золотую пальмовую ветвь» Каннского кинофестиваля и собрал очень солидную кассу (почти 80 млн. долларов) по всему миру.
За сай-фай-драму «Прибытие» с Эми Адамс Вильнев номинировался на «Оскар» в 2017 году.
В настоящее время режиссер занимается съемками сиквела известного фильма Риддли Скотта «Бегущий по лезвию» и готовится к съемкам новой экранизации «Дюны» Фрэнка Герберта.
