Amb tan sols 11 anys va ingressar com a alumne de la Reial Acadèmia de Belles Arts de San Fernando. El 1758 es va traslladar a Roma, on va romandre set anys com a pensionista de la Reial Acadèmia de Belles Arts de San Fernando per completar la seva formació quan va tornar el 1765 a Espanya.
Un any després va realitzar un viatge per Còrdova i Granada, junt amb José d'Hermosilla i Juan Pedro Arnal, per dibuixar les "antiguitats àrabs" (els dibuixos d'aquest viatge es van publicar el 1804).
Instal·lat a Madrid, va ser nomenat acadèmic de Mèrit de l'Acadèmia de San Fernando. El 1777, Carlos III el va anomenar arquitecte del príncep i els infants. En endavant treballaria gairebé en exclusiva per a la casa reial. Des de 1781 va ser arquitecte encarregat del Monestir de l'Escorial; Carlos IV li va anomenar arquitecte major.
Obra
El seu estil, de gran severitat i sentit de les proporcions, es caracteritza com una síntesi entre l'estil herrerià i el neoclassicisme. En efecte, es considera que les seves màximes influències són Juan Bautista de Toledo i Juan de Herrera, artífexs del Monestir d'El Escorial.
El 1768, va ser nomenat arquitecte de la comunitat de monjos jerònims del Monestir de l'Escorial, on va completar el tancament de la Llotja, un espai que voreja l'esmentat edifici pels seus costats nord i oest. La seva primera gran obra d'envergadura, la Casa dels Infants i de la Reina (situada al costat de la façana septentrional del monestir), la va escometre el 1769. Setze anys més tard, el 1785, va dissenyar la Tercera Casa d'Oficis, en la qual va mantenir la línia austera de Juan de Herrera, autor de la Primera i Segona Casa d'Oficis (1587).
Tanmateix, la seva obra mestra és l'edifici del Gabinet d'Història Natural, avui Museu del Prado (amb projecte de 1785 i 1787), va ser convertit en Museu d'Art el 1814, és un dels més bells edificis del neoclàssic espanyol. L'ara conegut com a Edifici Villanueva resumeix a la perfecció l'estil de Villanueva: predomini de les línies rectes i disposició rigorosament simètrica dels elements arquitectònics. Es tracta d'un edifici de traces monumentals organitzat en cinc cossos, dos d'ells com nexes d'unió del cos central (rematat amb una sala basilical) i els extrems laterals. Els seus materials preferits van ser el granit i la pedra blanca, amb els quals va construir edificis d'enorme austeritat ornamental, en els quals l'harmonia prové en exclusiva de la combinació de les formes arquitectòniques (columnes, frontons, finestres).
Va ser un arquitecte prolífic, al que es deuen també l'edifici de la Reial Acadèmia de la Història, l'Oratori del Cavaller de Gràcia (un temple neoclàssic de planta basilical, ajustat a un solar estretíssim, rematat per un absis semicircular i una cúpula oval sobre el creuer) i l'Observatori Astronòmic (un edifici de planta central amb un gran pòrtic d'accés i un característic templet circular jònic com a coronació) situat als Jardins del Retiro, tots a la ciutat de Madrid. També és en gran part obra seva la imatge actual de la Plaça Major de Madrid, que va reconstruir després de l'incendi de 1790, tancant el vell recinte urbà a través de grans arcades i homogeneïtzant l'altura del caseriu. Arran d'aquestes obres sorgiran l'Arco de Cuchilleros i el portal de Cofreros.
En 1798 es va inaugurar a Oviedo una obra realitzada per Juan de Villanueva, el Monument a Gaspar Melchor de Jovellanos, que va constituir el primer monument públic que es dedicava a un particular a Espanya. El monument ha sofert diferents trasllats i vicissituds, podent-se contemplar en l'actualitat en un racó lateral del monestir de San Pelayo d'Oviedo, en l'actual carrer de Jovellanos d'aquesta ciutat.
El 1810, un any abans de la seva mort, va ser excavada la Gruta del Camp del Moro, un dels seus últims dissenys. Es tracta d'un passadís subterrani, que es conserva parcialment, mitjançant el qual es comunicava la façana occidental del Palau Reial de Madrid amb els jardins de la Casa de Campo.
Villanueva va tenir una intensa activitat arquitectònica a Madrid, ciutat a la qual va contribuir a donar el nou aspecte d'urbs moderna i monumental que desitjava Carlos III per a la seva capital. Va ser l'arquitecte que, amb el seu estil personal no exempt d'influències locals, millor va saber traslladar a Espanya els postulats teòrics del neoclassicisme europeu.
Per a la Real, Antigua y Venerable Congregación de Indignos Esclavos del Santísimo Sacramento. Acabada per Juan Pedro Arnal. La façana no es construí fins 1830, seguint el projecte original.