Un año después realizó un viaje por Córdoba y Granada, junto con José de Hermosilla y Juan Pedro Arnal, para dibujar las "antigüedades árabes" (los dibujos de este viaje se publicaron en 1804).

En 1777, el rey Carlos III lo nombró arquitecto del Príncipe y los infantes.

Desde 1781 fue arquitecto encargado del Real Sitio de El Escorial; el rey Carlos IV le nombró maestro mayor, cargo que aparece más frecuentemente nombrado arquitecto mayor.

En 1798 se inauguró en Oviedo una obra realizada por Juan de Villanueva, el Monumento a Gaspar Melchor de Jovellanos, que constituyó el primer monumento público que se dedicaba a un particular en España.

Considerado el arquitecto que, con su estilo personal no exento de influencias locales, mejor supo trasladar a España los postulados teóricos del neoclasicismo europeo, Villanueva tuvo una intensa actividad arquitectónica en Madrid, ciudad a la que contribuyó a dar el nuevo aspecto de urbe moderna y monumental que deseaba Carlos III para su capital.

Tuvo un insigne discípulo, Isidro González Velázquez, continuador del neoclasicismo apadrinado por Villanueva.

Era más formal y clásico que su estilo hermano, el neoherreriano.