Estudià medicina a la Universitat de València (1845), on el 1846 obtingué la llicenciatura en ciències, i cursà estudis de geologia a París. Fou catedràtic d’aquesta darrera especialitat i de paleontologia a la Universitat de Madrid (1852-93). La major part de la seva producció científica està dedicada a la geologia, la paleontologia i la prehistòria (o protohistòria, com ell preferia dir). En el pla personal fou un home profundament religiós i d’ideologia conservadora, per la qual cosa en l’àmbit científic mantingué sempre una visió conciliadora entre la Bíblia i la ciència, mostrant-se primer antitransformista i posteriorment antidarwinista convençut. Al llarg de tota la vida mantingué les idees adquirides durant el seu període de formació a França, entre el 1849 i el 1854, amb poques variacions. Aquestes idees permeten caracteritzar-lo com un naturalista de pensament catastrofista actualista, és a dir, acceptà l’actualisme per a llargs períodes de la història de la Terra, però explicà alguns fenòmens, com l’alçament de les muntanyes, pel desenvolupament de forces catastròfiques, molt superiors a les habituals.
Pel que fa al camp de la prehistòria, Vilanova fou un dels primers difusors d’aquesta ciència a l’Estat espa-nyol. En la dècada del 1860 escriví diversos articles dedicats a l’origen i antiguitat de l’home i a les eines fabricades pels humans, on aplegà tota la informació i les polèmiques que anaven sorgint sobre l’existència de l’home primitiu i, posteriorment, de l’home terciari. Tot això queda plasmat en el llibre Origen, Naturaleza y Antigüedad del Hombre (1872), en el qual incorporà també la informació de què disposava de la prehistòria espanyola. L’any 1869 assistí, amb Tubino, al Congrés Internacional d’Arqueologia de Copenhaguen. A partir d’aquell moment fou un participant assidu en tots els congressos internacionals d’arqueologia, antropologia i prehistòria, com també en els de l’Associació Francesa per al Progrés de les Ciències, on exposà els seus descobriments i polemitzà amb altres autors. De totes aquestes activitats, Vilanova escriví els llibres de congressos, que proporcionen una bona visió de la prehistòria europea de l’època.
A més de ser un dels primers autors que es referiren a nombrosos jaciments considerats actualment clàssics, de la seva labor investigadora cal destacar dues aportacions que el converteixen en una de les grans figures de la prehistòria a l’Estat espanyol. La primera fou la introducció d’una edat del coure, entre el neolític i el bronze, etapa cultural que fou confirmada posteriorment, i que es coneix avui dia com a eneolític. La segona aportació és la seva defensa de l’autenticitat de les pintures prehistòriques descobertes per Sautuola a Altamira, l’any 1879, la qual cosa li comportà molts disgustos i una important minva del prestigi científic, i desfermà una viva polèmica tant en l’àmbit internacional com estatal. Vilanova presentà el descobriment en el Congrés Internacional Antropològic de Lisboa (1880) i en el Congrés de l’Associació Francesa per al Progrés de les Ciències d’Alger (1881), però des del primer moment, sense ni tan sols haver-les vist, Cartailhac considerà les pintures falses, actitud que fou seguida per la resta dels prehistoriadors. D’altra banda, a l’Estat espanyol les discussions tingueren lloc fonamentalment dins la Societat Espanyola d’Història Natural, on la majoria també s’alineà amb la idea que es tractava d’una falsificació. Per desgràcia, fins que no es descobriren en l’última dècada del s. XIX i principi del XX pintures prehistòriques en coves franceses, no s’acceptà l’autenticitat de les d’Altamira, amb el famós article de Cartailhac “La grotte d’Altamira, mea culpa d’un scéptique” (1902). Aquest mateix any, l’esmentat investigador francès visità per primera vegada la cova cantàbrica.
La importància de tota aquesta labor, tant investigadora com divulgadora, li comportà l’ingrés en la Real Academia de la Historia (1889) –fou el primer prehistoriador que ho aconseguí–. Prèviament ja havia estat elegit membre de l’Acadèmia de Medicina (1861) i de l’Acadèmia de Ciències Exactes, Físiques i Naturals (1875). Com a acadèmic, participà en l’elaboració de la Historia General de España dirigida per Cánovas, escrivint al costat de Rada en el primer tom, encara que es publicà posteriorment a la mort de Vilanova (1894).
A més de l’expedient personal que es troba a l’Arxiu General de l’Administració a Alcalá de Henares, hi ha documentació seva sense catalogar al Museu Nacional de Ciències Naturals de Madrid. En l’actualitat, s’està acabant de catalogar la donació Masiá Vilanova dipositada al Servei d’Investigació Prehistòrica de la Diputació de València, que conté un important conjunt de manuscrits, cartes i apunts de l’autor.
Entre la seva bibliografia destaquen: “Espolla y Colera. Antigüedades protohistóricas é históricas de aquella región pirenaica en la provincia de Gerona”, Boletín de la Real Academia de la Historia (1890, escrit amb F. Fita), “Estudios sobre lo prehistórico español”, Museo Español de antigüedades (1872), “Prehistórico español. Epoca neolítica ó de la piedra pulimentada”, Museo Español de antigüedades (1872), “Lo prehistórico en España”, Anales de la Sociedad Española de Historia Natural (1872), Origen, naturaleza y antigüedad del Hombre (1872), Conferencias dadas en Santander. Septiembre 1880 (1881), Los testimonios... de la Protohistoria Patria... en la formación diluvial de San Isidro. Discursos leídos en la Real Academia de la Historia..., el día 29 de junio de 1889, “Curiosidades protohistóricas”, Boletín de la Real Academia de la Historia (1890), Protohistoria americana: Conferencia de D. Juan Vilanova pronunciada el 21 de abril de 1891 en el Ateneo de Madrid (1892), “Geología y Protohistoria Ibéricas”, Historia General de España (dir. A. Cánovas del Castillo) (1894), amb la col·laboració de J.D. Rada Delgado, i Viaje científico a Dinamarca y Suecia con motivo del Congreso Internacional Prehistórico celebrado en Copenhague en 1869 (1871), amb J.F.M. Tubino.
- AYARZAGÜENA SANZ, M.: La arqueología prehistórica y protohistórica española en el siglo XIX, Universidad Nacional de Educación a Distancia, Madrid 1992.
- GOZALO, R.: “Biografía de Juan Vilanova y Piera”, Homenaje a Juan Vilanova y Piera, UV – Diputació de València – So-ciedad Económica de Amigos del País de Valencia, 1993, p. 11-83.
- — “Bibliografía de Juan Vilanova y Piera”, Homenaje a Juan Vilanova y Piera, UV – Diputació de València – Sociedad Económica de Amigos del País de Valencia, 1993, p. 85-103.
- — La Paleontología española en la Universidad y centros asociados en el periodo 1849-1936, Temas Geológico-Mineros ITGE, Madrid 1999, 26, p. 21-29.
- GOZALO, R.; SALAVERT, V.L.: “Joan Vilanova i Piera. València, 1821 – Madrid, 1893. Geòleg, paleontòleg i prehistoriador”, a CAMARASA, J.M.; ROCA ROSELL, A. (dir.): Ciència i Tècnica als Països Catalans: una aproximació biogràfica, vol. 1, Fundació Catalana per a la Recerca, Barcelona 1995, p. 287-313.
- LÓPEZ PIÑERO, J.M.; NAVARRO BROTONS, V.: Història de la Ciència al País Valencià, Edicions Alfons el Magnànim-IVEI, València 1995.
- PELAYO, F.: Un capítulo en la creación de la Cátedra de Geología y Paleontología de la Universidad Central: La formación científica de Juan Vilanova en Europa, Llull, 18(35), 1995, p. 493-516.
- — Ciencia y creencia en España durante el siglo XIX, Cuadernos Galileo de Historia de la Ciencia, CSIC, Madrid 1999.
- TRUYOLS i SANTONJA, J.: “La Geología española en la época de Juan Vilanova y Piera”, Anales de la Real Sociedad de Amigos del País, 1993-94, 1995, p. 211-228.