Elève au Conservatoire National Supérieur d'art dramatique de 1986 à 1989, Michel Vuillermoz fait sa première apparition au cinéma en 1989 dans un film sur le théâtre : La Bande des quatre de Rivette. Lié à d'autres anciens du Conservatoire comme Isabelle Candelier et Denis Podalydès, il tourne dans les comédies décalées réalisées par le frère de ce dernier, Bruno Podalydès (Versailles rive gauche et Dieu seul me voit) et dans un autre film de troupe, Comment je me suis disputé... de Desplechin. Avec son air tantôt ahuri, tantôt inquiétant, Michel Vuillermoz est aussi une figure familière de l'univers absurde d'Albert Dupontel, et on le retrouve dans plusieurs films à l'humour macabre comme Serial lover et Des nouvelles du bon Dieu.
Au milieu des années 90, Michel Vuillermoz triomphe sur les planches dans André le Magnifique, une création collective écrite et mise en scène par les acteurs - parmi lesquels figure Isabelle Candelier. Il y interprète le rôle-titre, celui d'un jardinier simplet engagé comme souffleur dans un théâtre de province, et sera également le héros de l'adaptation cinématographique tirée du spectacle en 2000. Devenu pensionnaire de la Comédie-Française en 2003, ce comédien singulier, de plus en plus sollicité par le cinéma, prend bientôt part à de grandes productions : il est l'assistant du professeur dans Bon voyage de Rappeneau en 2003, puis un barman dans Un long dimanche de fiançailles de Jean-Pierre Jeunet en 2004.
Michel Vuillermoz se consacre alors au théâtre où il interprète notamment "Cyrano de Bergerac" mis en scène par Denis Podalydès. Devenu sociétaire de la Comédie-Française à partir de 2007, il se fait alors plus discret au cinéma. Toujours fidèle aux frères Podalydès (Le Parfum de la dame en noir et Bancs publics (Versailles rive droite)), il sait aussi se diversifier en participant à la production hollywoodienne Reviens-moi. Se cantonnant majoritairement à des rôles secondaires, ses apparitions furtives mais souvent décalées restent rarement inaperçues (Gentille, Les Herbes folles...).
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