Comenzó a jugar al fútbol de centrocampista en las categorías inferiores del FC Barcelona. A mediados de los ochenta coincidió en La Masía con Pep Guardiola.
En junio de 1988 fue subcampeón de la Copa del Rey juveniles y al mes siguiente se le incluyó en la plantilla del filial azulgrana, el Barcelona Atletic, que militaba en Segunda B, en el que coincidió con Ferrer, el guardameta Busquets, Luis Milla y Guillermo Amor, entre otros.
A finales de junio de 1990 fue cedido a la Unió Esportiva Figueres, de Segunda División, con Jorge d'Alessandro en el banquillo. El equipo disputó el ascenso a Primera frente al Cádiz, en junio de 1992.
A continuación, en el verano de 1992 estaba previsto su regreso a la disciplina del FC Barcelona, pero acabó recalando en el Celta de Vigo, su único equipo de Primera División. En el verano de 1994 se quedó sin ficha en el Celta, aunque el jugador continuó entrenándose con el equipo gallego, que lo repescó en enero de 1995 hasta finalizar esa temporada, en el que le dio la baja definitiva.
Abrió entonces una etapa en equipos de Segunda: el 29 de agosto de 1995 fue presentado como nuevo jugador del Badajoz, en el que permaneció esa temporada. La siguiente, la 1996-97, jugó en el Mallorca, con Víctor Muñoz como entrenador, y entre julio de 1997 y junio de 1998 en el Lleida, con Juande Ramos en el banquillo.
En el verano de 1998 fichó por el Elche, en Segunda, equipo en el que volvió a coincidir con el técnico d'Alessandro. Estuvo en el equipo alicantino hasta junio de 2000. Luego fichó por la Unión Deportiva Atlético Gramenet, en Segunda B, en el que se retiró en diciembre de 2001. En su último año en este equipo realizó prácticas de entrenador tutorizadas.
Vilanova había iniciado su formación como técnico en su etapa alicantina, en la que consiguió el título de instructor de fútbol base (2000) , al año siguiente logró el título de entrenador regional y en 2003 el de entrenador nacional.
Su debut como entrenador fue en el equipo cadete B del FC Barcelona, el 12 de enero de 2002, con victoria por 3-0 sobre el cadete A del Espanyol. En éste tuvo como jugadores a Gerard Piqué, Fábregas y Messi, y fue quinto en la Fase Nacional de la Nike Premier Cup, en mayo de 2003.
A finales de noviembre de 2003 pasó a entrenar al FC Palafrugell (Tercera División) , desde mayo de 2004 desempeñó el puesto de director deportivo en el Figueres y desde junio de 2005 ese mismo puesto en el Terrassa FC, que acababa de descender a Segunda B, en el que estuvo dos campañas.
En junio de 2007, Pep Guardiola fue contratado como entrenador del Barcelona B y llevó como ayudante a Vilanova. Desde entonces sus carreras fue un tándem que culminó con la llegada de ambos al banquillo de la primera plantilla blaugrana, el 5 de junio de 2008, y se rompió con la salida de Guardiola al finalizar la temporada 2011-12.
En esos cuatro años como asistente de Guardiola el equipo logró sus mayores éxitos. En la primera campaña hicieron pleno al conquistar la cifra récord de tres títulos, aunque en el cómputo del año 2009 fueron finalmente seis copas: Copa del Rey, Liga de Campeones, Liga, Supercopa de España, Supercopa de Europa y Mundial de clubes.
En la 2009-10 el equipo logró la Liga y la Supercopa de España, en la 2010-11 la Copa de Europa, la Liga, las dos Supercopas y el Mundial de Clubes, y en la 2011-12 la Copa del Rey. Totalizaron 14 trofeos sobre los 19 posibles.
Vilanova, que siempre había estado en la sombra y era en algunas ocasiones el estratega de planteamientos tácticos del equipo y jugadas, saltó a las primeras páginas de los medios deportivos a raíz de la agresión sufrida el 17 de agosto de 2011 por parte del entrenador del Real Madrid, Jose Mourinho, quien le metió un dedo en el ojo, y el 22 de noviembre de ese mismo año cuando se sometió a una intervención quirúrgica de cáncer en la glándula parótida.
El 27 de abril de 2012, Guardiola dio a conocer la decisión de no renovar y ese mismo día se anunció que Vilanova tomaría el relevo, aunque hasta el 13 de junio no se dio a conocer que el contrato con la entidad sería por dos temporadas.
El 19 de diciembre de ese año se conoció que el técnico había recaído del cáncer, por lo que tuvo que pasar de nuevo por el quirófano al día siguiente, en el hospital del Vall d'Hebrón de Barcelona, para extirparle un tumor que se le ha reproducido en la glándula parótida.
Aunque temporalmente durante enero de 2013 volvió a tomar la dirección del equipo, el 21 de ese mes se trasladó a Nueva York para recibir tratamiento médico, donde estuvo hasta el 26 de marzo. A continuación, regresó al banquillo. Durante su ausencia se hizo cargo de equipo blaugrana Jordi Roura.
Cesó como entrenador el 19 de julio de 2013 para seguir tratamiento médico de quimioterapia en un hospital barcelonés y el club fichó a Gerardo 'Tata' Martino.
Desde entonces, el técnico ha seguido al FC Barcelona desde un palco del Camp Nou en los encuentros contra el Real Madrid, Espanyol y Milán, y el 8 de enero de 2014 en el de Copa frente al Getafe.
Días después presenció el encuentro del juvenil B del FC Barcelona, en la Ciutat Esportiva, en el que milita su hijo Adrià, quien le dedicó un gol.
Estaba casado con Montse Chaure y tienen dos hijos (Carlota y Adrià) , con quienes residía en Vallvidrera (Barcelona) . EFE