En , il participe à la création de « la Dernière Colonne », un petit groupe de résistants dont les fondateurs étaient Emmanuel d’Astier de La Vigerie et Édouard Corniglion-Molinier. On y trouve également Lucie Aubrac, Louis Aragon et André Philip. Ce groupe deviendra Libération-Sud. , Villemarest rejoint l’Armée secrète dont il commande en 1943 un groupe franc dans le Vercors. Agent P2 du réseau Kléber, spécialisé dans le renseignement, il participe à la dénazification de l’Allemagne et de l’Autriche, et tisse des liens avec les services américains et anglais dès cette époque.