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, 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) che 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, come il Premio Canal+ al Festival di Cannes 2008, vincendo sia il Génie che il Jutra anche in questa categoria.
Con Polytechnique (2009), presentato nella Quinzaine des Réalisateurs al Festival di Cannes 2009, affronta per la prima volta la delicata rappresentazione di un caso di cronaca nera, conquistando ben 9 Premi Génie, mentre con il successivo La donna che canta (Incendies) (2010), presentato nelle Giornate degli Autori alla Mostra del cinema di Venezia, si affida per la prima volta ad un testo preesistente, adattando per il cinema l’opera teatrale di Wajdi Mouawad. Nel 2013 realizza due film, entrambi interpretati da Jake Gyllenhaal, il primo è Prisoners, una produzione americana realizzata su sceneggiatura di Aaron Guzikowski e con la fotografia di Roger Deakins mentre il secondo è un thriller canadese intitolato Enemy liberamente tratto dal romanzo di José Saramago intitolato L’uomo duplicato e vincitore del Leone Nero per il miglior film al Courmayeur Noir in festival 2013.
Nel 2015 dirige il thriller intitolato Sicario con la sceneggiatura di Taylor Sheridan e interpretato da Benicio del Toro, Josh Brolin e Emily Blunt. 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”
Villeneuve è stato confermato come regista per il sequel del classico di fantascienza Blade Runner di Ridley Scott, che produrrà la pellicola. Il film avrà per protagonista Ryan Gosling e un cast che comprende Dave Bautista, Jared Leto, Mackenzie Davis, Robin Wright, Sylvia Hoeks, Ana de Armas e Harrison Ford, che riprenderà il ruolo di Rick Deckard
