Сан-Луис Кильота
Вильянуэва — воспитанник клуба «Коло-Коло». 8 декабря 2016 года в матче против «Палестино» он дебютировал в чилийской Примере. В поединке против «Сан-Луис Кильота» Карлос забил свой первый гол за «Коло-Коло».