Дени Вилньов е роден на 3 октомври 1967 год. в Троа Ривиер, Квебек, Канада. Той завършва Квебеския монреалски университет и започва кариерата си като режисьор в National Film Board of Canada. В началото на кариерата си създава предимно късометражни продукции, като първият му пълнометражен филм е документалната лента „Happiness Bound“ от 2007, последван от „Polytechnique“ (2009).
Голяма популярност му печели лентата „Incendies“ (2010), с която обира овациите на критиците още на премиерата в Торонто и Венеция. Вилньов е посочен от сп. Варайъти като един от режисьорите, които задължително трябва да се гледат. В последствие тази продукция е избрана да представи Канада на 83-те награди „Оскар“. От 2013 година започва работа и в Холивуд, като създава лентите „Prisoners“ 2013, „Sicario“ 2015, „Arrival“ 2016, „Blade Runner 2049“ 2017.
Последният проект на Вилньов е филмът „Blade Runner 2049“, който е продължение на класиката на Ридли Скот, "Blade Runner" (1982). Във филма участват Райън Гослинг и Харисън Форд.