Etter å ha arbeidet som teknisk direktør i Terrassa FC ble Vilanova utnevnt til assistenttrener i FC Barcelona B, under hovedtreneren Pep Guardiola, mens klubben var i fjerde divisjon. I 2008, etter at de hadde ført reservelaget til opprykk til tredje divisjon, ble de to ansatt i samme roller på førstelaget, hvor de erstattet nederlenderne Frank Rijkaard og Johan Neeskens.