Вильнев родился в 1967 году в Канаде. Его младший брат, Мартин, также является кинорежиссером. Дени изучал киноискусство в Университете Квебека в Монреале. Его полнометражным режиссерским дебютом стал фильм «32-е августа на Земле» (1998), премьера которого состоялась на Каннском фестивале в секции «Особый взгляд». После этого режиссер выпускает еще несколько полнометражных и короткометражных фильмов, пока «Пожары» в 2010 году не открывают ему дорогу в большое и высокобюджетное кино.

Героинями фильмов Вильнева часто становятся сильные женщины, попадающие в традиционно мужской мир. В его фильмах много насилия, которое, однако, не выглядит искусственным - ведь Вильнев мастерски нагнетает саспенс, подчеркивая его неизбежность. Еще одна фишка режиссера - финал, в котором восприятие происходящего может измениться на 360 градусов.

«Пленницы» (Prisoners, 2013) - детективный триллер об отце, который расследует исчезновение своей шестилетней дочери и ее подруги. Напряженная история с блестящим актерским составом и очень выразительным визуальным повествованием. И как может быть по-другому, если его снял Роджер Дикинс?

«Убийца» (Sicario, 2015) - остросюжетный фильм с Эмили Блант и Бенисио Дель Торо в главных ролях. Банальная история о войне ЦРУ с мексиканскими наркокартелями оказывается философской историей о сомневающемся одиночке на пути к истине.

«Пожары» (Incendies, 2010) - история брата и сестры, которые после смерти матери исследуют ее трагическое прошлое на Ближнем Востоке, с неожиданной развязкой. Вильнев сам написал сценарий для этой картины. Она принесла ему номинацию на Оскар и открыла дорогу в Голливуд.