וילנואבה שיחק ב"תיכון ניוטון" שבקווינס במשך שנה אחת, ולאחר מכן שיחק במשך 3 שנים באקדמיית בלייר שבניו ג'רזי, יחד עם שחקן ה-NBA לעתיד לואול דנג.
בשנת 2003 הצטרף לנבחרתה של אוניברסיטת קונטיקט. בשנתו הראשונה בקונטיקט, ב-2004, הוא סייע לקבוצתו לזכות בטורניר אליפות המכללות תוך שהיה שחקן יעיל מהספסל. בשנתו השנייה הוא הפך לשחקן מוביל בנבחרת האוניברסיטה והעמיד ממוצעים של 13.8 נקודות - הגבוה בקבוצה - ו-8.3 ריבאונדים למשחק. הוא נבחר לחמישיית המצטיינים השנייה של התאחדות האזור המזרחי (Big East).
קריירת ה-NBA
טורונטו ראפטורס
וילנואבה נבחר במקום השביעי בדראפט ה-NBA 2005 על ידי קבוצת טורונטו ראפטורס. על אף שטורונטו ספגה ביקורת על בחירתו בשלב כה גבוה, וילנואבה הציג יכולת טובה בעונתו הראשונה (2005/2006), עם ממוצעים של 13.0 נקודות ו-6.4 ריבאונדים למשחק. הוא סיים במקום השני בין הרוקיז בנקודות ובריבאונדים ושלישי בחסימות. על אף כישלונה הקבוצתי של טורונטו, וילנואבה עצמו סיים שני בהצבעות לפרס רוקי השנה ב-NBA (אחרי הזוכה כריס פול) ונבחר לחמישיית הרוקיז של העונה.
מילווקי באקס
ביוני 2006 הועבר וילנואבה בטרייד לקבוצת מילווקי באקס, תמורת טי ג'יי פורד.[2] בעונת 2008/2009 הציג וילנואבה את עונתו הטובה ביותר בקריירה, כאשר העמיד ממוצעים של 16.2 נקודות ו-6.7 ריבאונדים למשחק. על אף שלא פתח בקביעות בחמישייה הוא היה מהשחקנים החשובים ביותר בקבוצה, לצד השחקן המוביל מייקל רד.
דטרויט פיסטונס
בקיץ 2009 סיים וילנואבה את חוזהו במילווקי, וחתם על חוזה ל-5 עונות בקבוצת דטרויט פיסטונס, עבור כ-35 מיליון דולר.[3] תקופתו בדטרויט נחשבת כמאכזבת, במיוחד ביחס לחוזה הגבוה עליו חתם; לאורך חמש העונות שותף ב-256 בלבד מתוך 410 משחקי קבוצתו, והעמיד ממוצעים של 9.5 נקודות ו-3.8 ריבאונדים למשחק בעוד דטרויט החמיצה את הפלייאוף בכל אחת מהעונות.