Kariera trenerska W sezonie 2003/04 Vilanova znajdował się w sztabie szkoleniowym czwartoligowego Palafrugell, z którym spadł do Primera Catalana. Następnie pełnił funkcję dyrektora technicznego w Terrassie, by w 2007 roku zostać asystentem Pepa Guardioli w czwartoligowych rezerwach Barcelony.
Latem 2008 roku po tym, jak zespół rezerw wywalczył awans do Segunda División B, Guardiola i Vilanova zastąpili w sztabie pierwszej drużyny Barcelony odpowiednio Franka Rijkaarda oraz Johana Neeskensa. Pierwszy sezon Guardioli na stanowisku pierwszego szkoleniowca oraz Vilanovy jako jego asystenta był najbardziej udany w całej historii klubu. Barcelona sięgnęła wówczas po sześć najbardziej prestiżowych tytułów, stając się jednocześnie pierwszą drużyna w Hiszpanii, która w jednym sezonie sięgnęła po tytuł mistrza kraju, puchar kraju oraz europejskie trofeum.
27 kwietnia 2012 podczas konferencji prasowej, na której Barcelona poinformowała o odejściu Guardioli, potwierdzono także, że jego następcą zostanie Vilanova. 15 czerwca podpisał on z klubem dwuletni kontrakt i poprowadził drużynę w sezonie 2012/13, podczas którego poniosła ona zaledwie osiem porażek i zdobyła 22.