Arquitecto español. Máximo exponente de la arquitectura neoclásica en España. Hijo del escultor Juan de Villanueva Barbales (que fue uno de los fundadores y directores de estudios de la Junta Preparatoria de la futura Academia de San Fernando), siendo su madre Ángela de Montes González y su hermano de Diego de Villanueva Muñoz, igualmente arquitecto y su maestro y protector durante los primeros años (arquitecto, escritor crítico y autor en 1773 del proyecto de reforma del palacio del conde de Saceda para sede de la Real Academia de Nobles Artes y del Real Gabinete de Historia Natural). Alumno de la Academia de San Fernando y más tarde académico de Mérito de la misma.

En 1777 el rey Carlos III lo nombra arquitecto del Príncipe y los infantes, comenzando a trabajar en lo sucesivo casi exclusivamente para la casa real. Desde 1781 fue el arquitecto encargado del Real Sitio de El Escorial. Carlos IV le nombró maestro mayor (también nombrado como arquitecto mayor). Su estilo se caracteriza por una síntesis entre el estilo herreriano y el neoclasicismo.

Sus principales obras fueron:

En 1771 construye la Casa de Infantes en el Real Sitio de Aranjuez; en 1772, la Casita del Príncipe en El Pardo; en 1773, la Casita de Arriba (con una organización palladiana y una acentuada plasticidad en el tratamiento del pórtico de acceso), para su uso por el infante don Gabriel, y la Casita de Abajo (o del Príncipe), ambas en el Real Sitio de El Escorial.

En 1768, fue nombrado arquitecto de la comunidad de monjes jerónimos del Monasterio de El Escorial, donde completó el cierre de la Lonja, un espacio que bordea el citado edificio por sus lados norte y oeste. Su primera gran obra de envergadura, la Casa de los Infantes y de la Reina (situada junto a la fachada septentrional del monasterio), la acometió en 1769. Dieciséis años más tarde, en 1785, diseñó la Tercera Casa de Oficios, en la que mantuvo la línea austera de Juan de Herrera, autor de la Primera y Segunda Casa de Oficios (1587).

Sin embargo, su obra maestra es el edificio del Gabinete de Historia Natural, hoy Museo del Prado (con proyectos en 1785 y 1787), que fue convertido en Museo de Arte en 1814 y es uno de los más bellos edificios del neoclásico español.