Née à Châlons-en-Champagne d’un père ingénieur et d’une mère au foyer, Odile Vuillemin grandit aux côtés de ses quatre sœurs dont sa jumelle. A l’âge de quatre ans, elle déménage avec sa famille à Metz, où elle y vit jusqu’à son départ à Paris pour ses études supérieures de sociologie et de psychologie. C’est à ce moment qu’elle commence à s’intéresser au théâtre. La jeune femme s’inscrit au Cours Florent, et décide finalement de se consacrer entièrement à sa carrière d’actrice.

Odile Vuillemin décroche son premier rôle au cinéma en 2001 dans le film Le Doux amour des hommes, puis participe à plusieurs longs métrages. Elle côtoie notamment Benoît Poelvoorde dans Podium où elle joue une Claudette, et Elie Semoun dans Cyprien. Jean-Pierre Jeunet la dirige également dans Un long dimanche de fiançailles. La comédienne se fait remarquer dans Double Face, un téléfilm diffusé sur France 3, où elle interprète une jeune femme atteinte d’un cancer de la gorge.

Mais c’est bien en 2009 que l’actrice se révèle au grand public, lorsqu’elle obtient le rôle principal de la série Profilage. Elle y joue Chloé Saint-Laurent, une psychologue qui aide la police grâce à sa capacité à se projeter dans l’esprit des victimes et des assassins. Un véritable succès pour TF1 et pour l’actrice.