Né à Gentilly, près de Trois-Rivières, au Québec, Denis Villeneuve étudie les sciences au Cégep et le cinéma à l'Université du Québec à Montréal. En 1991, il remporte la Course Europe-Asie avec ses reportages audacieux. Le concours permet au gagnant de réaliser un film avec l’aide de l'Office national du film (ONF). Après avoir accompagné Pierre Perrault dans le Grand Nord pour son tout dernier film, Cornouailles, Villeneuve réalise donc son premier court-métrage sur le thème du multiculturalisme.

Tourné en Jamaïque, REW FFWD raconte l'histoire d'un photographe retenu dans un ghetto réputé dangereux après une panne. Forcé d'attendre que son automobile soit réparée, il se replie sur lui-même, sous le choc. Ce qu’il découvre est à mille lieux des images d'Épinal du pays. Sa carrière de photographe va en être bouleversée. Parallèlement, le jeune cinéaste tourne des vidéoclips (dont certains sont primés) notamment avec Daniel Bélanger et Beau Dommage.

En 1998, il écrit et réalise son premier long métrage, Un 32 août sur Terre, qui est présenté au Festival de Cannes dans la section Un Certain Regard et dans trente-cinq festivals internationaux. Le film relate un voyage initiatique dans le désert de sel de Salt Lake City. Après un accident de voiture, Simone ne veut plus qu’une chose, un enfant, elle quitte alors son travail, annule ses projets. Dans le rôle du père porteur, son meilleur ami Philippe est précipitamment commis d'office. C’est donc avec lui qu’elle partira à Salt Lake City. En 2000, son deuxième long métrage, Maelström est présenté dans une quarantaine de festivals (dont Sundance et Toronto) et remporte des dizaines de prix.

Il révèle Marie-Josée Croze au grand public. L’actrice y interprète Bibiane, jeune femme qui, un soir, fauche un passant. Apeurée, elle s'enfuit. L'homme rentre chez lui et meurt paisiblement dans sa cuisine. Mais la vie de Bibiane ne tarde pas à se transformer en chaos lorsqu'elle fait la connaissance d'Évian, un homme, beau et peu loquace, et qui n'est autre que le fils de l'homme qu'elle a écrasé. Elle devra naviguer entre son amour pour Évian et son désir de lui avouer la vérité. Le film remporte un vif succès au Québec.

En 2008, Denis Villeneuve présente Next Floor, un court-métrage des plus étranges : au cours d'un opulent et luxueux banquet, onze convives, servis sans retenue par une horde de valets et de serviteurs attentionnés, participent à un étrange rituel aux allures de carnage gastronomique. L’univers absurde et grotesque séduit et le film remporte le prix du meilleur court-métrage à la Semaine de la Critique à Cannes. Désormais reconnu aussi bien au Québec que sur le vieux continent, Denis Villeneuve s’attelle à un projet qui s’inspire de l’univers de Gus Van Sant.

Dans Polytechnique, la tuerie commise dans l’école scientifique au Québec, le 6 décembre 1989, est contée à travers les regards de deux survivants, Valérie et François. Construit à partir de témoignages de survivants et des familles, le film relate les quelques heures avant le drame imaginé par Marc Lépine, qui affirmait combattre le féminisme. Les 14 victimes étaient toutes des femmes. Commentant cet acte barbare commis contre les femmes, le réalisateur avoue que le monde féminin l’intrigue et l’inspire : "C'est étrange quand même, quand j'ai fini Maelström, j'ai dit bon, c'est fini les films sur les filles. Avec Polytechnique, je refais un film sur la condition féminine et avec Incendies, sur la femme au Moyen-Orient."

En effet, en 2010, le réalisateur enchaîne avec l'adaptation cinématographique d'Incendies, la pièce à succès de Wajdi Mouawad. Le film raconte comment deux frères et sœurs sont amenés à retourner sur les traces de leur mère qui vient de mourir et à exhumer le passé. Ils partent tous les deux au Moyen-Orient et vont sillonner le pays sur la piste d’une mère bien loin de celle qu’ils ont connue. À la suite de ce nouveau succès critique, le metteur en scène enchaîne avec deux thrillers de qualité portés par Jake Gyllenhaal : tout d'abord Enemy, où un professeur découvre son sosie parfait en la personne d’Anthony, un acteur fantasque, puis Prisoners, dont la qualité et le sujet rappellent les meilleurs films de tueurs en série. 

Décidément très actif et inspiré, Denis Villeneuve présente dès 2015 à Cannes en Compétition son nouveau long métrage, Sicario, porté par les stars Emily Blunt, Benicio Del Toro et Josh Brolin. Il s'agit d'un thriller centré sur la lutte contre d'impitoyables cartels de drogue, et dont le joli succès d'estime confirme la popularité du cinéma de Denis Villeneuve dans l'Hexagone. Sans perdre de temps, il tourne dans la foulée Premier Contact, avec Amy Adams, Jeremy Renner et Forest Whitaker, qui lui permet cette fois de s'essayer à la science-fiction avec l'histoire de l'invasion de notre monde par les extraterrestres.

En 2017 sort Blade Runner 2049, suite du film culte de SF de 1982, emmené par Ryan Gosling et Harrison Ford reprenant son personnage. Si ce film très attendu par les cinéphiles ne cartonne pas au box-office (260 millions de dollars de recettes pour un budget de 150), il obtient de très bonnes critiques presse, confirmant le savoir-faire du cinéaste. Denis s'attaque ensuite à un autre projet ambitieux, Dune, nouvelle adaptation cinématographique de la première partie du roman du même nom écrit par Frank Herbert et paru pour la première fois en 1965. Le long métrage est porté par Timothée Chalamet, Rebecca Ferguson, Oscar Isaac, Jason Momoa, Josh Brolin ou encore Javier Bardem.

Le blockbuster rapporte 391 millions de dollars dans le monde via sa sortie en salles, et ce pour un budget de 165 millions. Une suite, intitulée Dune : Deuxième Partie, voit donc le jour en 2024.