Né le 3 octobre 1967 à Bécancour au Québec, Denis Villeneuve a fait ses études secondaires au Séminaire Saint-Joseph de Trois-Rivières, ses études collégiales en sciences de la nature au Cégep de Trois-Rivières, puis ses études universitaires en cinéma à l'Université du Québec à Montréal. Il est le frère aîné du scénariste-réalisateur Martin Villeneuve