Michel Vuillermoz s’inscrit au Conservatoire d’Orléans, puis au cours Jean Périmony à Paris avant d’intégrer, en 1986, le Conservatoire national supérieur d’art dramatique dont il sort en 1989.

Il joue dans Ruy Blas de Victor Hugo par Nicolas Lormeau, ainsi que dans Les Guerres picrocholines de Gabor Rassov et dans Richard III de Shakespeare, deux pièces dirigées par Pierre Pradinas. Il met en scène et joue dans Master Class de David Pownall, en 1992, ainsi que Linge sale de Jean-Claude Grumberg, en 1994. Vient alors le désir de monter un spectacle avec des amis à partir de personnages, désir étayé par son passage au Théâtre du Soleil d’Ariane Mnouchkine. C’est en 1996 qu’André le Magnifique, création collective dont il est l’initiateur, voit le jour à la Maison de la culture de Bourges. Denis Podalydès fait partie de ce spectacle qui connaît un grand succès et remporte sept Molières. En 2000, Michel Vuillermoz est à l’affiche de deux pièces de David Mamet au Théâtre du Rond-Point, American Buffalo par Michel Fau et Paradis perdus par Pierre Laville. L’année suivante, son interprétation de Fouché dans Madame Sans-Gêne de Victorien Sardou mise en scène par Alain Sachs lui vaut une nomination au Molière du comédien dans un second rôle.

Le 17 février 2003, Michel Vuillermoz est engagé en tant que pensionnaire de la Comédie-Française, pour le rôle d’Infortunatov dans La Forêt d’Ostrovski dirigée par Piotr Fomenko. La rencontre avec ce grand maître du théâtre est déterminante pour le jeune pensionnaire dont le goût prononcé pour un théâtre magique et poétique s’en trouve comblé. Le 1er janvier 2007, il devient le 515e sociétaire de la Troupe.

En 2004, son Géronte dans Le Menteur de Corneille par Jean-Louis Benoit lui vaut une nomination pour le Molière du comédien dans un second rôle. Denis Podalydès lui offre le rôle-titre dans Cyrano de Bergerac d’Edmond Rostand. Il remporte le Prix du Syndicat de la critique du meilleur comédien en 2007. En 2008, il interprète Figaro dans Figaro divorce d’Ödön von Horváth sous la direction de Jacques Lassalle ainsi que Le Comte dans Le Mariage de Figaro de Beaumarchais mis en scène par Christophe Rauck. En 2009, il tient le rôle-titre dans Le Loup d’après Les Contes du Chat perché de Marcel Aymé par Véronique Vella qu’il retrouve pour le deuxième volet, Le Chien, en 2022. Alain Françon lui confie le rôle d’Alexandre Ignatievitch Verchinine dans Les Trois Soeurs de Tchekhov en 2010, celui de Ferdinando dans La Trilogie de la villégiature en 2012 et celui du Marquis de Forlipopoli dans La Locandiera de Carlo Goldoni en 2018. Michel Vuillermoz est Tartuffe dans la pièce homonyme de Molière sous la direction de Galin Stoev et Thésée dans Le Songe d’une nuit d’été de Shakespeare parMuriel Mayette-Holtz en 2014.

Arnaud Desplechin ‒ qui l’avait dirigé au cinéma dans Comment je me suis disputé… (ma vie sexuelle) et dans La Forêt, un téléfilm d’après Ostrovski ‒ pense à lui, en 2016, pour le rôle du Capitaine dans Père de Strindberg qu’il monte Salle Richelieu et le distribue à nouveau en 2019 dans le rôle de Roy Cohn dans Angels in America de Tony Kushner. En 2017, il joue Pinglet dans L’Hôtel du Libre-Échange de Feydeau par Isabelle Nanty et participe à La Résistible Ascension d’Arturo Ui de Brecht par Katharina Thalbach. Pour sa première collaboration avec la troupe de la Comédie-Française, Robert Carsen imagine Michel Vuillermoz en Prospero dans La Tempête de Shakespeare.
Michel Vuillermoz dirige Laurence Colussi dans Introspection de Peter Handke, en 2012, puis les comédiens de l’académie de la Comédie-Française dans Kadoc de Rémi de Vos au Studio-Théâtre en 2015.

Outre des collaborations à la télévision ou sur des courts métrages, Michel Vuillermoz a joué dans une centaine de films. Il tourne avec Albert Dupontel dans Bernie, Le Créateur,Au revoir là-haut et Adieu les cons. Il participe aux trois derniers films d’Alain Resnais : Les Herbes folles, Vous n’avez encore rien vu et Aimer, boire et chanter. Alexandra Leclère le sollicite pour quatre de ses films :Les Soeurs fâchées, Maman, Le Grand Partage et Garde alternée. En 1992, il fait partie, avec Denis Podalydès, Philippe Uchan et Isabelle Candelier, du casting de Versailles Rive-Gauche de Bruno Podalydès. Une bande d’amis qui se retrouvera régulièrement sur les films de ce dernier : Dieu seul me voit, Le Parfum de la dame en noir, Bancs publics, Adieu Berth_e‒ L’Enterrement de mémé_, Comme un avion et Bécassine et Les Deux Alfred. Il partage l’affiche avec Valérie Donzelli dans Les Grandes Ondes (à l’ouest) du Lionel Baier. En 2019, il joue dans J’accuse de Roman Polanski. En 2023, il est sur les écrans avec L’Abbé Pierre : une vie de combats, Bernadette et Inestimable.

Il devient sociétaire honoraire de la Comédie-Française le 1er janvier 2024.

Michel Vuillermoz est officier dans l’ordre des Arts et des Lettres.