Pas de vocation précoce pour le jeune Orléanais timide. Il réalise un premier court-métrage avec un ami de lycée, mais le comédien pressenti pour interpréter différents rôles renonce au projet. Michel Vuillermoz se lance et découvre ainsi le plaisir du jeu. Il s’inscrit au Conservatoire d’Orléans, puis au cours Jean Périmony à Paris avant d’entrer, en 1986, au 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 2001, 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 par Marcel Bozonnet, alors administrateur 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.
Depuis son arrivée au Français, Michel Vuillermoz marque certains rôles de son empreinte. 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.Il incarne ensuite Figaro dans Figaro divorce d’Ödön von Horváth, le Comte dans Le Mariage de Figaro de Beaumarchais, le rôle-titre dans Le Loup d’après les Contes du Chat perché de Marcel Aymé, Alexandre Ignatievitch Verchinine dans Les Trois Sœurs de Tchekhov, Ferdinando dans La Trilogie de la villégiature, le Marquis de Forlipopoli dans La locandiera de Carlo Goldoni, Tartuffe dans la pièce homonyme de Molière et Thésée dans Le Songe d’une nuit d’été de Shakespeare.
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. 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 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 et Au revoir là-haut. 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 Les Sœurs 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 Berthe ‒ L’Enterrement de mémé, Comme un avion et Bécassine. Il partage l’affiche avec Valérie Donzelli dans Les Grandes Ondes (à l’ouest) de Lionel Baier.
Michel Vuillermoz est officier dans l’ordre des Arts et des Lettres.