В 1838—1842 годах учился в Петербургской Академии художеств у Карла Брюллова, а затем у А. И. Зауервейда. Получив в 1842 году большую золотую медаль и звание художника за картину «Сражение при Фер-Шампенуазе» (Эрмитаж), Виллевальде был командирован за границу для продолжения обучения; работал в Дрездене над сюжетами войны 1813 года; в 1844 году он был вызван в Санкт-Петербург, для окончания начатых Зауервейдом работ по истории борьбы с Наполеоном; 7 декабря 1844 года вступил в службу. В 1848 году получил звание профессора 2-й степени по батальной живописи и до 1894 года преподавал в Академии художеств. В 1859 году был удостоен звания профессора 1-й степени, а в 1888 году — заслуженного профессора. Среди его учеников были: П. Н. Грузинский, К. Гурский, Н. А. Зауервейд, П. О. Ковалевский, А. И. Шарлемань, К. Н. Филиппов, Н. Г. Шильдер, В. И. Штернберг, А. Н. Попов, Н. С. Самокиш, В. В. Мазуровский, Ю. Бродовский и другие. Виллевальде руководил батальным классом академии художеств вплоть до реформы её в 1890-х годах.