Seit 1999 ist Alexis Vuillermoz als Radsportler aktiv; bis 2012 fuhr er hauptsächlich Rennen auf dem Mountainbike. In dieser Disziplin wurde er 2006 französischer Meister der Junioren und 2009 sowie 2010 in der Klasse U23. 2008 wurde er französischer Mannschaftsmeister. Auch international war er erfolgreich: 2006 wurde Vuillermoz bei Vize-Europameister der Junioren und 2009 Vize-Weltmeister der U23. 2008 wurde er jeweils mit der Mannschaft Europa- sowie Weltmeister (mit Arnaud Jouffroy, Laurence Leboucher und Jean-Christophe Péraud).
Nach einem sieglosen Jahr, in dem er die Tour de France und die Olympischen Spiele bestritten hatte, gewann Vuillermoz in der Saison 2017 zum zweiten Mal den Grand Prix de Plumelec-Morbihan. Bei der Tour de France 2017 verhalf er Romain Bardet zu dessen dritten Gesamtrang, ehe er selbst eine Etappe und die Gesamtwertung der Tour de Limousin für sich entschied. Am Ende der Saison wurde er zunächst Vierter des Grand Prix Cycliste de Québec und verpasste auch bei der Lombardei-Rundfahrt nur knapp das Podest. Im Jahr 2018 verpasst er nur um eine Sekunde den Gesamtsieg der Tour du Haut Var. Infolge eines von einem fotografierenden Zuschauer verursachten Sturzes auf der 9. Etappe der Tour de France 2018 brach er sich das Schlüsselbein, erreichte das Ziel mit 16 Minuten Rückstand und musste die Rundfahrt anschließend aufgeben.[1]
Im Jahr 2019 gewann er im Frühjahr die Drôme Classic, ehe er nach einer sieglosen Saison zum UCI ProTeamTotalEnergies wechselte. Seinen bislang letzten Sieg feierte er beim Critérium du Dauphiné im Jahr 2022, als er die zweite Etappe aus einer Ausreißergruppe gewann und für einen Tag das Trikot des Gesamtführenden trug.[2]
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