Joseph Vilsmaier, geboren am 24. Januar 1939 in München, wächst in Pfarrkirchen und München auf und besucht in der Nähe von Augsburg fünf Jahre ein Franziskanerinnen-Internat. Von 1953 bis 1961 absolviert er eine filmtechnische Ausbildung bei Arnold & Richter (ARRI) in München, zur gleichen Zeit studiert er Musik am Münchner Konservatorium und spielt in einer Jazzband. Dann arbeitet er sich bei der Bavaria Film vom Material- zum Kameraassistenten hoch und führt 1969 gemeinsam mit Gernot Roll die Kamera beim Fernsehdreiteiler "Wie eine Träne im Ozean". Ab 1972 ist er eigenständiger Kameramann, ab 1978 arbeitet er freischaffend. Er dreht zahlreiche TV-Filme und Serien (zum Beispiel "Tatort", "Rote Erde") sowie Kino-, Werbe- und Dokumentarfilme.

Als Vilsmaier auf Anna Wimschneiders Roman "Herbstmilch" aufmerksam wird, kauft er die Filmrechte, gründet die Produktionsfirma "Perathon Film" und verpflichtet den Autor Peter Steinbach ("Heimat") fürs Drehbuch. Der Kinofilm "Herbstmilch" wird Vilsmaiers erste Regiearbeit; die Hauptrolle spielt seine Ehefrau Dana Vávrová. Der 1,9 Millionen Mark teure Film über das Leben und die große Liebe einer Bäuerin wird zum Kassenschlager, Regisseur und Darsteller erhalten für ihre Leistungen den Deutschen Filmpreis. Wieder mit Dana Vávrovrá und Werner Stocker als Liebespaar dreht Vilsmaier 1991 nach eigener Idee das Trümmerdrama "Rama dama" (bayrisch: "räumen tun wir").

Mit einem Budget von 20 Millionen Mark und enormem Aufwand an Material und Technik dreht Vilsmaier 1991/1992 das Schlachtengemälde "Stalingrad". Das zum 50. Jahrestag der deutschen Niederlage 1993 ins Kino gebrachte Drama um vier Wehrmachtsoldaten erreicht im Kino 1,3 Millionen Zuschauer.

Danach widmet sich Vilsmaier wieder der Adaptation von Buchvorlagen: Nach "Charlie & Louise – Das doppelte Lottchen", einer nach Schottland verlegten Neufassung des Erich-Kästner-Klassikers, verfilmt er Robert Schneiders Bestseller "Schlafes Bruder" um den musikalischen Wunderknaben und Sonderling Elias, der in einem Bergdorf aufwächst. Der Film wird jedoch zu einem finanziellen Misserfolg, ebenso wie die wesentlich weniger aufwändige Verfilmung von Siegfried Sommers Erstlingsroman "Und keiner weint mir nach" um sechs Freunde in einem Münchner Mietshaus in den 1920er/1930er Jahren.

Dagegen wird "Comedian Harmonists", der wiederum in der Weimarer Republik spielt, mit 2,8 Millionen Zuschauern zum erfolgreichsten deutschen Film des Jahres 1998. Vilsmaier schildert die Geschichte der berühmten Vokalgruppe in Form eines opulent ausgestatteten, unterhaltsamen Publikumsfilms. Während die Kritik – wie meist bei Vilsmaiers Werken – verhalten bis ablehnend reagiert, erhält der Film zahlreiche Auszeichnungen, unter anderen den Deutschen Filmpreis und den Bayerischen Filmpreis. Verrisse erntet Vilsmaier in Deutschland für "Marlene" über das Leben von Marlene Dietrich mit Katja Flint in der Hauptrolle - doch beim Hollywood Film Festival in Los Angeles wird die erneut äußerst aufwändige Leinwandbiografie als "Bester Spielfilm" ausgezeichnet.

Der Kinoregisseur, der in der Branche als Erneuerer des Heimatfilms gilt, fungiert meist auch als Produzent, Co-Autor und Kameramann seiner Filme. Er dreht neben seinen Kinofilmen auch Werbespots und Fernsehfilme ("August, der Glückliche" und "Vera"), und betätigt sich gelegentlich als Produzent für andere Filmemacher, etwa bei "Hunger – Sehnsucht nach Liebe", dem Regiedebüt seiner Ehefrau, bei dem Thriller "Straight Shooter" und dem Klamauk "Pura Vida Ibiza". Im Dezember 1998 übernimmt die Berliner Senator Film AG 51 Prozent seiner Münchner Produktionsfirma Perathon.

Im Jahr 2000 veröffentlicht das Ehepaar Vilsmaier ein Kinderbuch: "Der Bär ist los" wird unter dem gleichen Titel als Familienprojekt (Regie: Vávrová, Produktion: Vilsmaier, Hauptrolle: Tochter Janina Vilsmaier) zum Kinofilm. Neben der TV-Komödie "Das Weihnachts-Ekel" (2006) und der Adalbert-Stifter-Verfilmung "Bergkristall" (2004) realisiert Vilsmaier in den 2000er Jahren drei Filme, die sich mit unterschiedlichen Aspekten des Dritten Reichs und des 2. Weltkriegs befassen: "Leo und Claire" (2001) erzählt die wahre Geschichte eines Juden, der von den Nazis wegen "Rassenschande" zum Tode verurteilt wird; "Der letzte Zug" (2006) handelt von der unmenschlichen Deportation einer Gruppe von Juden im Jahr 1943. Beim Bayerischen Filmpreis 2007 wird "Der letzte Zug" mit einem Spezialpreis geehrt. Der von der Kritik zwiespältig rezipierte TV-Zweiteiler "Die Gustloff" schließlich versucht sich an einer Rekonstruierung der Umstände, die zur tragischen Torpedierung des deutschen Flüchtlingsschiffs "Wilhelm Gustloff" (2008) durch die sowjetische Armee im Jahr 1945 führten.

Mit dem komödiantisch angehauchten, prominent besetzten "Die Geschichte vom Brandner Kaspar" bringt Vilsmaier 2008 einen der berühmtesten bayerischen Stoffe in die Kinos. Im Januar 2010 läuft sein nächstes Projekt in den Kinos an, das Bergsteigerdrama "Nanga Parbat", das die Besteigung der Rupalwand des Achttausenders durch Reinhold und Günter Messner schildert, die nur Reinhold überlebt. Ebenfalls im Januar 2010 wird Joseph Vilsmaier beim Bayerischen Filmpreis der Ehrenpreis verliehen.

Vilsmaier heiratete 1986 die tschechische Schauspielerin Dana Vávrová, die am 5. Februar 2009 im Alter von nur 41 Jahren einem Krebsleiden erlag. Das Ehepaar hat drei Töchter: Janina (geb. 28.9.1986), Theresa (geb. 8.6.1989) und Josefina (geb. 8.12.1992).