Joseph Vilsmaier, geboren am 24. Januar 1939 in München, wuchs in Pfarrkirchen und München auf und besuchte in der Nähe von Augsburg fünf Jahre ein Franziskanerinnen-Internat. Von 1953 bis 1961 absolvierte er eine filmtechnische Ausbildung bei Arnold & Richter (ARRI) in München, zur gleichen Zeit studierte er Musik am Münchner Konservatorium und spielte in einer Jazzband. Dann arbeitete 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 war er eigenständiger Kameramann, ab 1978 arbeitete er freischaffend. Er drehte zahlreiche TV-Filme und Serien (zum Beispiel "Tatort", "Rote Erde") sowie Kino-, Werbe- und Dokumentarfilme.

Als Vilsmaier auf Anna Wimschneiders Roman "Herbstmilch" aufmerksam wurde, kaufte er die Filmrechte, gründete die Produktionsfirma "Perathon Film" und verpflichtete den Autor Peter Steinbach ("Heimat") fürs Drehbuch. Der Kinofilm "Herbstmilch" wurde Vilsmaiers erste Regiearbeit; die Hauptrolle spielte seine Ehefrau Dana Vávrová. Der 1,9 Millionen Mark teure Film über das Leben und die große Liebe einer Bäuerin wurde zum Kassenschlager, Regisseur und Hauptdarstellerin erhielten für ihre Leistungen den Deutschen Filmpreis; der Film insgesamt wurde mit dem Deutschen Filmpreis in Silber gewürdigt. Wieder mit Dana Vávrovrá und Werner Stocker als Liebespaar drehte 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 drehte Vilsmaier 1991/1992 das Schlachtengemälde "Stalingrad". Das zum 50. Jahrestag der deutschen Niederlage 1993 gestartete Drama um vier Wehrmachtsoldaten erreichte im Kino 1,3 Millionen Zuschauer.

Danach widmete sich Vilsmaier wieder der Adaptation von Buchvorlagen: Nach "Charlie & Louise – Das doppelte Lottchen", einer nach Schottland verlegten Neufassung des Erich-Kästner-Klassikers, verfilmte er Robert Schneiders Bestseller "Schlafes Bruder" um den musikalischen Wunderknaben und Sonderling Elias, der in einem Bergdorf aufwächst. Der Film wurde zwar zu einem finanziellen Misserfolg, gewann aber zahlreiche Preise, darunter den Deutschen Filmpreis für den besten Schnitt (Alexander Berner) in Gold und den in Silber für den besten Film, den Produzentenpreis beim Bayerischen Filmpreis und den Österreichischen Filmpreis - sowie eine Nominierung für den Golden Globe als bester fremdsprachiger Film.

Es folgte 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, die an den Kinokassen ebenfalls hinter den Erwartungen zurückblieb. Dagegen wurde "Comedian Harmonists", der wiederum in der Weimarer Republik spielt, mit 2,8 Millionen Zuschauern zum erfolgreichsten deutschen Film des Jahres 1998. Vilsmaier schilderte die Geschichte der berühmten Vokalgruppe in Form eines opulent ausgestatteten, unterhaltsamen Publikumsfilms. Während die Kritik – wie meist bei Vilsmaiers Werken – verhalten bis ablehnend reagierte, erhielt der Film zahlreiche Auszeichnungen, unter anderen den Deutschen Filmpreis und den Bayerischen Filmpreis. Verrisse erntete 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 wurde die erneut äußerst aufwändige Leinwandbiografie als "Bester Spielfilm" ausgezeichnet.

Der Kinoregisseur, der in der Branche als Erneuerer des Heimatfilms gilt, fungierte meist auch als Produzent, Co-Autor und Kameramann seiner Filme. Er drehte neben seinen Kinofilmen auch Werbespots und Fernsehfilme ("August, der Glückliche" und "Vera"), und betätigte 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 übernahm die Berliner Senator Film AG 51 Prozent seiner Münchner Produktionsfirma Perathon.

Im Jahr 2000 veröffentlichte das Ehepaar Vilsmaier ein Kinderbuch: "Der Bär ist los" wurde unter dem gleichen Titel als Familienprojekt (Regie: Dana Vávrová, Produktion: Joseph Vilsmaier, Hauptrolle: Tochter Janina Vilsmaier) zum Kinofilm. Neben der TV-Komödie "Das Weihnachts-Ekel" (2006) und der Adalbert-Stifter-Verfilmung "Bergkristall" (2004) realisierte Vilsmaier in den 2000er Jahren drei Filme, die sich mit unterschiedlichen Aspekten des Dritten Reichs und des 2. Weltkriegs befassten: "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 wurde "Der letzte Zug" mit einem Spezialpreis geehrt. Der von der Kritik zwiespältig rezipierte TV-Zweiteiler "Die Gustloff" schließlich versuchte 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" brachte Vilsmaier 2008 einen der berühmtesten bayerischen Stoffe in die Kinos. Im Januar 2010 lief 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 überlebte. Ebenfalls im Januar 2010 wurde Joseph Vilsmaier beim Bayerischen Filmpreis der Ehrenpreis verliehen. Im Jahr zuvor war er bereits mit dem Ehrenpreis beim Deutschen Kamerapreis ausgezeichnet worden.

Fürs Fernsehen inszenierte Vilsmaier den zweiteiligen Thriller "Russisch Roulette" (2012), über eine deutsche Ex-Journalistin, die in St. Petersburg in die kriminellen Machtspiele russischer Oligarchen und EX-KGBler hineingezogen wird. Ebenfalls fürs Fernsehen verfilmte er Ludwig Anzengrubers Volksstück "Der Meineidbauer" (2012), mit Suzanne von Borsody und Günther Maria Halmer in den Hauptrollen.

Eine Hommage an seine Heimat drehte Vilsmaier mit "Bavaria - Traumreise durch Bayern" (2012), einem Kino-Dokumentarfilm, in dem er die schönsten Orte und Landschaften des Freistaats porträtiert. Anfang 2015 startete in Österreich der Dokumentarfilm "Österreich: Oben und Unten" in den Kinos. Er zeigt Österreich hauptsächlich in Luftaufnahmen, wobei nicht zuletzt besondere Ereignisse wie ein Almabtrieb, das Erzberg-Rodeo und die Salzburger Festspiele filmisch festgehalten werden.

Daneben trat Vilsmaier als Produzent in Erscheinung. So war er mit seiner Firma Perathon als Associate Producer an der französisch-belgisch-deutschen Koproduktion "Im Namen meiner Tochter - Der Fall Kalinka" (2016) beteiligt; bei Marie Noëlles Filmbiografie "Marie Curie" (2016), ebenfalls eine europäische Koproduktion, fungierte er mit der Perathon Film als Co-Produzent.

In eigener Regie (und wie immer als Kameramann) realisierte Vilsmaier ab 2015 einen weiteren Dokumentarfilm über seine bayerische Heimat: "Bayern sagenhaft" befasst sich mit den unterschiedlichen Brauchtümern in den sieben Regierungsbezirken des Freistaats. Der Film kam im Herbst 2017 in die Kinos.

Vilsmaier heiratete 1986 die tschechische Schauspielerin Dana Vávrová, die am 5. Februar 2009 im Alter von nur 41 Jahren einem Krebsleiden erlag. Mit ihr hatte Vilsmaier drei Töchter: Janina (geb. 1986), Theresa (geb.1989) und Josefina (geb. 1992).

Zu den zahlreichen Auszeichnungen, die Vilsmaier im Laufe seiner Karriere erhielt, zählen das Große Verdienstkreuz des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland (1999), der Bayerische Verdienstorden (2003) sowie die Bayerische Verfassungsmedaille in Silber (2014).

Joseph Vilsmaier starb am 11. Februar 2020 im Alter von 81 Jahren in München, kurz nach Vollendung seines Spielfilms "Der Boandlkramer und die ewige Liebe", der im November 2020 in die Kinos kommen sollte, dann jedoch pandemiebedingt erst 2021 und per VoD veröffentlicht wurde.