1988年，执导剧情短片《La course destination monde》，从而正式开启了他的导演生涯。1994年，执导的短片《REW-FFWD》。1996年，执导剧情片《Cosmos》，这是丹尼斯·维伦纽瓦执导的首部电影 。
1998年，执导由帕斯卡·比西埃尔、亚历克西斯·马丁合作主演的剧情片《8月32日》 。2000年，编导由玛丽-乔西·克罗兹、罗宾·奥贝尔、西尔维·莫罗联合主演的剧情片《迷情漩涡》 ，他凭借该片获得第20届加拿大基尼奖最佳导演奖 。
2008年，执导剧情短片《下一层》 ，该片获得第61届戛纳国际电影节影评人周单元“Canal+电视台”奖 。2009年，执导由伊夫林·布洛初、皮埃尔-伊夫·卡丁纳、马克西姆·高德特合作主演的犯罪片《理工学院》 ，获得第13届多伦多影评人协会奖最佳加拿大电影奖 ，他凭借该片获得第29届加拿大基尼奖最佳导演奖 。2010年，执导根据加拿大法语作家瓦基迪·穆阿瓦德的同名剧作改编的剧情片《焦土之城》 ，该片由马克西姆·高德特、卢布娜·阿扎宝领衔主演 ，获得第83届奥斯卡金像奖最佳外语片奖提名 、第65届英国电影学院奖最佳非英语片奖提名 ，他凭借该片获得第30届加拿大基尼奖最佳导演奖 、最佳改编剧本奖 ，第14届温哥华影评人协会奖最佳导演奖 。
2013年，执导由杰克·吉伦哈尔，休·杰克曼，梅丽莎·里奥合作主演的犯罪悬疑片《囚徒》 ，这是丹尼斯·维伦纽瓦执导的首部英语电影 ，该片获得第38届多伦多国际电影节人民选择奖最佳故事片奖提名 ；同年，执导由杰克·吉伦哈尔、梅拉尼·罗兰、莎拉·加顿合作主演的悬疑惊悚片《宿敌》 ，讲述了一个人在精神危机下的潜意识的故事 。
2015年，执导由艾米莉·布朗特、乔什·布洛林、本尼西奥·德尔·托罗合作主演的犯罪剧情片《边境杀手》 ，讲述了由执法人员和神秘特工组成的小队扳倒贩毒组织的故事 ，该片获得第68届戛纳国际电影节金棕榈奖提名 、第21届美国广播影评人协会奖最佳影片奖提名 。
2016年，执导根据华裔科幻作家特德·蒋的小说《你一生的故事》改编的科幻剧情片《降临》 ，该片由杰瑞米·雷纳、艾米·亚当斯、福里斯特·惠特克联袂主演 ，他凭借该片获得第89届奥斯卡金像奖最佳导演奖提名 、第70届英国电影学院奖最佳导演奖提名 、第22届美国广播影评人协会奖最佳导演奖提名 。之后，这部影片被美国电影学会（AFI）入选“年度十佳电影” 。2017年，执导根据菲利普·K·迪克的小说《仿生人会梦见电子羊吗？》改编的科幻片《银翼杀手2049》 ，该片由瑞恩·高斯林、哈里森·福特、安娜·德·阿玛斯领衔主演 ，讲述了在人类与复制人共生的2049年，两个种族之间的矛盾升级的故事 ，他凭借该片获得第71届英国电影学院奖最佳导演奖提名 。
2018年，丹尼斯·维伦纽瓦担任第71届戛纳国际电影节评委会成员 。
2021年10月22日，执导的科幻电影《沙丘》在北美上映，并担任该片的编剧和制片人 ；12月16日消息，丹尼斯·维伦纽瓦将继续执导科幻片，将改编英国作家阿瑟·克拉克于1972年出版的科幻小说《与拉玛相会》 。
丹尼斯·维伦纽瓦从《焦土之城》到《囚徒》，再到讲述人格分裂的《宿敌》，他似乎天生对犯罪题材有着敏感的掌控力，利用慢节奏拍惊悚片的独特风格在他对叙事线索和细节的收紧之下，不仅不显拖沓，反而带来一种空气稀薄般的窒息感 。此外，他的每一部电影都不仅能够给人带来视觉上的震撼，而且给人带来严肃的思考 。（Mtime时光网、《北方人(悦读)》评）