Regista e sceneggiatore canadese, Denis Villeneuve realizza nel 1994 il suo primo cortometraggio, REW-FFWD, girato in Giamaica. Due anni dopo partecipa al film collettivo Cosmos, presentato alla Quinzaine des Réalisateurs del Festival di Cannes 1997, mentre esordisce alla regia di un lungometraggio nel 1998 con Un 32 août sur terre, presentato a Cannes nella sezione Un Certain Regard. Il film riceve sette candidature ai Premi Jutra e viene scelto come rappresentante del Canada per l'Oscar al miglior film straniero.

Con la sua opera seconda, Maelström (2000), vince premi in molti festival internazionali e riceve 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.
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 9 Premi Génie, mentre con il successivo La donna che canta (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. Torna alla regia con l'attesissimo Prisoners (2013), con Hugh Jackman e Jake Gyllenhaal, attore con cui lavorerà nuovamente per Enemy, dello stesso anno. Nel 2015 esce invece Sicario, con Benicio del Toro, Josh Brolin ed Emily Blunt, ambientato lungo il confine che separa Messico e Stati Uniti, territorio governato dai boss della droga. Il 2016 porta alla Mostra del Cinema di Venezia Arrival.