Villeneuve è nato il 3 ottobre del 1967 a Trois-Rivières, Québec, figlio di Nicole Demers e Jean Villeneuve. Si è formato presso il Séminaire Saint-Joseph de Trois-Rivières e ha studiato presso l'Università del Québec a Montréal. Denis Villeneuve realizza nel 1994 il suo primo cortometraggio, "REW-FFWD", girato in Giamaica, su commissione per l"'Agence canadienne de développement international". Due anni dopo partecipa al film collettivo "Cosmos", presentato alla Quinzaine des Réalisateurs del Festival di Cannes 1997.