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 de 25 ans 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 court métrage 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 étrange 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, il enchaîne donc 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.
