Internacionalmente, es conocido por haber dirigido las cintas Prisoners, Sicario, La llegada, Blade Runner 2049 y Dune.

Su primer largometraje, Un 32 août sur terre (1998), tuvo como protagonistas a los actores Pascale Bussières y Alexis Martin.

La cinta fue escogida para ser exhibida en la sección Un Certain Regard del Festival de Cannes.

Además, fue seleccionada por Canadá como su candidata para la categoría de mejor película extranjera en los premios Óscar, pero no quedó entre las nominadas.

[4]​ Los próximos trabajos de Villeneuve fueron los cortometrajes 120 Seconds to Get Elected (2006) y Next Floor (2008).

Estuvo protagonizada por Lubna Azabal, Mélissa Désormeaux-Poulin, Maxim Gaudette y Rémy Girard.

[6]​ Tres años después, el director debutó en Hollywood con la cinta Prisoners (2013), cuyo reparto contó con la participación de Hugh Jackman, Jake Gyllenhaal, Viola Davis, Maria Bello, Terrence Howard, Melissa Leo y Paul Dano.

La historia, basada parcialmente en la novela El hombre duplicado de José Saramago, es protagonizada por Jake Gyllenhaal, Mélanie Laurent, Sarah Gadon e Isabella Rossellini.

[17]​ Sin embargo, el 9 de noviembre el propio director confirmó en declaraciones a The Playlist que se encontraba ocupado haciendo Dune, descartando otras propuestas cinematográficas.