Villeneuve è nato il 3 ottobre del 1967 a Trois-Rivières, Québec, figlio di Nicole Demers e Jean Villeneuve. Si è formato presso il Séminaire Saint-Joseph de Trois-Rivières e ha studiato presso l'Università del Québec a Montréal. Denis Villeneuve realizza nel 1994 il suo primo cortometraggio, REW-FFWD, girato in Giamaica, su commissione per l'Agence canadienne de développement international. Due anni dopo partecipa al film collettivo Cosmos, presentato alla Quinzaine des Réalisateurs del Festival di Cannes 1997.
Esordisce alla regia di un lungometraggio nel 1998 con Un 32 août sur terre, presentato a Cannes nella sezione Un Certain Regard, che riceve sette candidature ai Premi Jutra, comprese quelle per il miglior film e il miglior regista, e viene scelto come rappresentante del Canada per l'Oscar al miglior film straniero. Ha vinto il premio per il miglior film al Festival internazionale del film francofono di Namur.
Con la sua opera seconda, Maelström (2000), raccoglie premi in molti festival internazionali,[2] tra cui il Premio FIPRESCI per la sezione Panorama al Festival di Berlino e il premio per il miglior film canadese al Montreal World Film Festival, e raggiunge la consacrazione in patria, trionfando sia ai Premi Génie (5 premi su 10 candidature) sia ai Premi Jutra (8 premi su 8 candidature), vincendo in entrambi i premi per film, regia e sceneggiatura, e rappresentando nuovamente il Canada agli Oscar. Anche quando si cimenta con la forma breve, con Next Floor (2008), ottiene numerosi riconoscimenti,[3] come il Premio Canal+ al Festival di Cannes 2008, vincendo sia il Génie che il Jutra anche in questa categoria.
Nel 2015 dirige il thriller intitolato Sicario con la sceneggiatura di Taylor Sheridan e interpretato da Benicio del Toro, Josh Brolin e Emily Blunt[8]. Il film è stato presentato il 19 maggio 2015 alla 68ª edizione del Festival di Cannes. La colonna sonora di Sicario è stata composta dal musicista islandese Jóhann Jóhannsson pensando al "battito cardiaco di una bestia selvaggia pronta a sferrare un attacco dalle viscere della terra"[9]. Nel 2017 viene candidato agli Oscar come miglior regista per Arrival (2016), film di fantascienza che riceve ben 8 candidature, incluso miglior film, vincendo nella categoria miglior montaggio sonoro.
Fratello maggiore del regista Martin Villeneuve, Denis Villeneuve è sposato con la giornalista Tanya Lapointe, e ha tre figli avuti da una precedente relazione.
«Sia il pubblico che i critici lo considerano un genio cinematografico; lo stesso Denis Villeneuve direbbe di essere un sognatore professionista. I suoi film descrivono la condizione umana. A volte in modo contemplativo, a volte con velocità e intensità vertiginose, ma sempre intuitivamente, trasporta gli spettatori nelle profondità dei suoi personaggi. La sua macchina fotografica e la sua penna spingono i limiti del dramma e della fantascienza: Polytechnique, Incendies, Arrival e Blade Runner 2049 sono solo alcuni dei titoli portati sul grande schermo da questo esteta lodato come uno dei migliori registi della sua generazione.» — nominato l'11 dicembre 2017, investito il 5 luglio 2018[11]
