Odile Vuillemin (Metz, 8 luglio 1976) è un'attrice francese nota per il suo ruolo da protagonista nella serie televisiva Profiling.
Odile Vuillemin nasce a Metz. Suo padre è ingegnere, sua madre casalinga, ha quattro sorelle. Cresce nel suo paese natale, si diploma in sociologia e, affascinata dall'animo umano, decide di studiarlo attraverso la commedia.
Si fa strada nel mondo del cinema con Doux Amour des Hommes di Jean-Paul Civeyrac, film candidato al Festival di Berlino nel 2002. Recita poi in Podium di Yann Moix (2004) e in A tout de suite di Benoît Jacquot (2004), film candidato al Festival di Cannes. Il suo primo grande ruolo è in Double face di Philippe Lefebvre (2007), in cui interpreta una seduttrice improvvisamente sfigurata da un tumore alla gola. Nel lungometraggio Panda del regista statunitense Kevin Absoch, Odile collabora anche come regista nonché compositrice (specialmente di musica pop-rock). L'attrice ricopre poi il ruolo di Chloé Saint-Laurent, protagonista della serie TV Profiling.