Vilsmaier sa narodil v roku 1939 v Mníchove. Predtým, ako sa začiatkom
60. rokov zamestnal v televízii ako kameraman, študoval na konzervatóriu
hudbu a pracoval ako technik.
Režijne debutoval filmom Jesenné mlieko (1988), ktorý sa v Nemecku stal
komerčným hitom. Mnohé z jeho filmov sa zameriavajú na búrlivé obdobia
nemeckých dejín a často sú podávané z perspektívy radových ľudí.
Význačnou výnimkou je film Marlene (2000) o živote nemeckej herečky a
speváčky Marlene Dietrichovej.
Jeho najznámejším dielom je film Stalingrad (1993), ktorý novej
generácii priblížil hrôzy druhej svetovej vojny. Film zachytáva príbeh
skupiny nemeckých vojakov vyslaných na východný front, kde zažívajú
zdĺhavú bitku o mesto Stalingrad (dnešný Volgograd). Bitka sa skončila
víťazstvom Sovietov a znamenala zlom vo vývoji konfliktu.
K jeho ďalším filmom patria Rama Dama (1990), Comedian Harmonists
(1997), Sestra spánku (1995), Leo a Claire (2002), Kúzelný krištáľ
(2004), Posledný vlak (2006), Skaza lode Gustloff (2008) či Nanga Parbat
(2010). Venoval sa aj dokumentárnej tvorbe.
Vilsmaier po sebe zanechal tri dcéry. Jeho druhá manželka, česká herečka Dana Vávrová, zomrela v roku 2009.