Director de recerca del Departament de Psiquiatria de la Universitat Autònoma de Barcelona i Coordinador del Grup de recerca en Neuroimatge en trastorns mentals de l’Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM), Barcelona, Espanya.

Dirigeix un laboratori de neurociència cognitiva i neuroimatgeria en aquesta universitat i a l’Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques, a Barcelona. Amb el seu grup, ha aportat propostes capdavanteres en neurociència, com ara la primera descripció dels canvis neuronals que l’embaràs provoca en el cervell de les dones que són mares. Fa poc ha rebut una subvenció Advanced del Consell Europeu de Recerca per continuar les seves investigacions. El doctor Vilarroya també treballa amb temes fonamentals de la neurociència cognitiva, com ara el concepte de representació neuronal, el qual ha tractat al llibre La disolución de la mente (Tusquets, 2002) i en publicacions posteriors. També ha dut a terme projectes de recerca sobre neurociència social, per als quals ha rebut finançament dels programes FP7 i Horitzó Europa.