Odile Vuillemin (Châlons-en-Champagne, Marne; 8 de julio de 1976) es una actriz francesa de cine y televisión.
Vuillemin nació en la región francesa de Marne, de un padre ingeniero y madre ama de casa. Tiene cuatro hermanas, una de ellas (Sophie), gemela suya. A los cuatro años de edad, se mudó con su familia a Metz. Después del instituto, se mudó a París para comenzar sus estudios universitarios en Sociología, Psicología y Lenguas Orientales (chino). Quiso convertirse en etnóloga pero descubrió su pasión por el teatro. Abandonó sus estudios y se internó en el mundo de la actuación, debutando como actriz con un pequeño papel en la película de 2001 Le Doux Amour des hommes.
Entre 2009 y 2016, interpretó en la serie de TF1 Profilage al personaje de la psicóloga y criminalista Chloé Saint-Laurent. En diciembre de 2016 anunció su abandono de la serie para el comienzo de la séptima temporada. A mediados de la sexta temporada se hizo más importante el papel de Adèle Delettre, que interpretaría por Juliette Roudet, a la postre y hasta la novena temporada, su sustituta en la serie.