Vilanova, Terrassa'da yönetici olarak çalıştıktan sonra Barcelona B'de yardımcı teknik direktörlüğe başlamıştır. 2008'de Pep Guardiola, Barça'nın teknik direktörü olunca Vilanova, Barcelona'da yardımcı teknik direktör olarak göreve başlamıştır. 19 Temmuz 2013 günü Barcelona Başkanı Sandro Rosell ve Sportif Direktör Andoni Zubizarreta, Vilanova ile yolların ayrıldığını resmen duyurdu. Toplantıda konuşan Başkan Rosell, “Yapılan kontrolleri sonucunda Vilanova’nın göreve devam edemeyeceği anlaşıldı. Hastalığının tekrar ilerlemesinden ötürü görevi bıraktı. Yeni hocamızı önümüzdeki hafta başında Zubizarreta açıklayacak. Bugün buraya gelen tüm çalışanlar ve oyunculara da teşekkür ederim. Bizim bir aile olduğumuzu gösterdiler. Yaşamış olduğumuz olay çok zor bir durum ama üstesinden geleceğiz. Hizmetlerinden dolayı kendisine teşekkür ederiz. Onu ileride tekrar aramızda görmek istiyoruz” şeklinde konuştu.
2012'de Guardiola istifa etmiş ve Vilanova, Barcelona'nın teknik direktörü olmuştur.Yakalandığı rahatsızlık sebebiyle Temmuz 2013'te görevinden istifa etmiştir. Ameliyat ve radyoterapinin ardından 10 hafta kaldığı ABD'den dönen Vilanova, Mart 2013'te yeniden başına geçtiği Barcelona'yla şampiyonluğa ulaştı.
Tedavisine odaklanmak amacıyla teknik direktörlük görevinden ayrılan Vilanova'nın yerine Arjantinli Gerardo Martino getirildi.
Ölümü
Kanser tedavisi gören eski Barcelona Teknik Direktörü Tito Vilanova 25 Nisan 2014 Cuma günü ölmüştür.[1]
Anısına
2014 yılının Şubat ayında Barcelona Kulübü, Joan Camper Spor Tesisleri'ndeki bir sahaya Vilanova'nın adını vermiştir.[2]