Der aus San Francisco stammende Bariton - mit spanisch-philippinischen Vorfahren - schloss seine Gesangsausbildung an der Sacramento State University ab, und ist Absolvent des Opernstudios des Seattle Opera Young Artists Programms, der Music Academy of the West, des Steans Music Institute des Ravinia Festival, und des Merola Trainingsprogramms der San Francisco Opera.

Er ist Preisträger und Finalist zahlreicher internationaler Gesangswettbewerbe und Stipendiat renommierter Stiftungen. Dazu gehören der „Concours de Genève“, „Elena Obratszova International Competition“, „Premio Spiros Argiris International Competition“, „Metropolitan Opera National Council Auditions“, die „Marilyn Horne Foundation“, die „Richard Tucker Foundation“ und die „William Matheus Sullivan Foundation“. Im Herbst 2012 gewann Eugene Villanueva den ersten Preis beim Internationalen Gesangswettbewerb „Francesco Paolo Tosti" in Ortona. 

Sein Europa-Debüt gab er 2010 am Theater Basel als Albert in Werther.  Seit dieser Zeit gastierte er regelmäßig an dem Haus und sang dort Rollen wie Conte Almaviva in Le nozze di Figaro, Fürst Jeletzky in Pique Dame, Förster in Rusalka, Lescaut in Massenets Manon, Oronte in Charpentiers Médée und in 2015 die Rolle des M5 in der zeitgenössischen Oper Hölderlin von Peter Ruzicka. Ein weiteres wichtiges Debüt erfolgete 2011 in Italien, am Teatro Comunale di Bologna, wo er als Dandini in Daniele Abbados Produktion von La Cenerentola einen großen Erfolg feierte. Es folgten Gastspiele beim Festival d'Aix-en-Provence in Rossinis La cambiale di matrimonio als Mr. Slook, und er sang mit dem Göttinger Symphonie Orchester in zwei Opernfragmenten von Claude Debussy, La chûte de la maison Usher und Le diable dans le beffroi, welche beide für Pan Classics auf CD aufgenommen wurden. Beim Festival Puccini Torre del Lago war er außerdem in La bohème als Schaunard und in Shigeaki Saegusas Butterfly-Fortsetzung Junior Butterfly als Lieutenant Noda zu hören, eine Rolle, die er 2016 auch in Tokyos Bunkamura Orchard Hall wiederholte.

Seine professionelle Karriere startete Eugene Villanueva 2007 an der San Francisco Opera als Prinz Yamadori in Madama Butterfly. Weitere wichtige Engagements in den USA waren an der Opera Santa Barbara als Danilo in Die Lustige Witwe, am Opera Theatre of St. Louis als Schaunard in La bohème, am Michigan Opera Theatre als Figaro in Rossinis Il barbiere di Siviglia und als Ping in Turandot sowie zuletzt mit Venture Opera NYC als Escamillo in Carmen.

Der junge Künstler gab zahlreiche Liederabende in der „Schwabacher Debut Recital Series“ an der San Francisco Opera und im Rahmen der Konzertreihe „The Song Continues“ der Marilyn Horne Foundation in der Carnegie Hall. Außerdem wurde er vom NDR für die Konzertreihe „Podium der Jungen“ in der Alten Oper Frankfurt und der Laeiszhalle Hamburg verpflichtet, und sang zuletzt im Rahmen des 21. Festival Leoncavallo in Brissago einen Liederabend mit Werken von Paolo Tosti. Er konzertierte bereits mit Orchestern wie dem San Francisco Symphony, dem Los Angeles Philharmonic, der Accademia Nazionale di Santa Cecilia, dem Toscanini Orchestra di Parma und dem Orchestre de la Suisse Romande. Sein Konzertrepertoire umfasst Werke wie Orffs Carmina Burana, Faurés Requiem, Coplands Old American Songs, Brahms' Requiem, Vaughan Williams' Songs of Travel, Dvoraks Te Deum und Ligetis Aventures et nouvelle aventure.