Né à Paris, le 9 juin 1790.
Il fut lauréat de l'Académie en 1812 ; il le fut encore en 1814, et par dérogation à ses usages, l'Académie l'autorisa à lire lui-même l'œuvre couronnée devant l'Institut ; le roi de Prusse et l'empereur de Russie assistaient à cette séance, Villemain eut le tort de débuter en leur adressant un compliment ; il fut lauréat une troisième fois en 1816. Traducteur, critique, auteur de nombreux travaux littéraires, il fut professeur à la Faculté des lettres où il suppléa Guizot pour l'histoire en 1814 et remplaça Royer-Collard pour le cours d'éloquence française de 1816 à 1826 ; il chercha à concilier le clergé et l'Université ; avec Guizot et Victor Cousin, il donna une allure de liberté aux cours de la Faculté des lettres, qui furent suspendus ; il fut aussi maître de conférences à l’École normale et rédacteur au Journal des Débats, à la Revue de Paris, à la Revue des Deux-Mondes.
Il fut élu, à l'âge de 30 ans, membre de l'Académie le 24 avril 1821, en remplacement du marquis de Fontanes qui l'avait désigné pour lui succéder ; il fut reçu par François Roger le 28 juin suivant. Il fit partie de la Commission du Dictionnaire et écrivit la préface de l'édition de 1835 ; il répondit aux discours de réception de B.-J. Dacier, Féletz, Arnault à sa deuxième élection, et Scribe. En 1827, il avait rédigé et signé avec Chateaubriand et Lacretelle la supplique au roi en faveur de la liberté de la presse ; cet acte lui fit perdre sa place de maître des requêtes au Conseil d’État. Il fut favorable à Victor Hugo dès sa première candidature et vota toujours pour lui. Il fut nommé secrétaire perpétuel le 11 décembre 1834 et exerça une grande influence à l'Académie pendant près de cinquante ans. Villemain joua un rôle politique important ; il fut député en 1830, pair de France en 1832, ministre de l'Instruction publique de 1839 à 1844.
Mort le 8 mai 1870.