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。
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》。
2024年3月1日，执导的电影《
沙丘2》在北美上映。2026年12月18日，执导的电影《沙丘3》在北美上映。2024年10月18日，参与制作的电影《沙丘：预言》定档11月17日在HBO/Max播出。12月，官宣加盟2024年《综艺》“导演对谈”阵容。
丹尼斯·维伦纽瓦能驾驭好莱坞主流电影。他一路披荆斩棘，无疑是中生代导演中当仁不让的楷模。在影片《降临》中，导演丹尼斯·维伦纽瓦对科幻与荒诞之间的尺度把握得十分得体，以缓慢的叙事节奏将其中的科幻、哲学思考以及女性主义色彩征服了观众。（腾讯娱乐、《京华时报》、《电影世界》、《电影文学》评）
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）