Die Französin Odile Vuillemin ist die Tochter eines Ingenieurs und einer Hausfrau und Mutter. Sie hat eine Zwillingsschwester namens Sophie und drei weitere Schwestern. Nach ihrem Schulabschluss studierte sie in Paris zunächst Soziologie, Psychologie und Fremdsprachen, denn ihr strebte der Beruf einer Ethnologin vor. Doch dann entdeckte Vuillemin ihre wahre Leidenschaft - das Schauspielen - und brach das Studium im Jahr 2001 ab.
Bald darauf gab sie ihr Debüt in dem Drama „Le doux amour des hommes“, worauf weitere Rollen folgten, darunter das Crime-Drama „Hier und jetzt“ oder Auftritte in der Serie „Xanadu“.
Seit 2009 spielt Odile Vuillemin die Rolle der Profilerin Chloé Saint-Laurent in der erfolgreichen französischen Krimiserie Profilage, hierzulande als „Profiling Paris“ bekannt. Im Dezember 2014 hat die Darstellerin ihren Ausstieg nach der sechsten Staffel verkündet.