A 45 éves tréner 2012 nyarán Josep Guardiolától vette át a katalán együttes irányítását és az egyetlen szezonjában bajnoki címet nyert játékosaival, majd rögtön ezt követően tavaly júliusban gégerákja kezelése miatt lemondott.
Vilanovával 2012-ben rekordrajtot vett a Barcelona, ugyanis 19 bajnoki meccséből 18-at megnyert, de decemberben másodszor diagnosztizáltak nála rosszindulatú daganatot, így New Yorkba utazott kezelésekre, ez idő alatt pedig segítője, Jordi Roura helyettesítette. A csapat végül 100 pontot gyűjtve így is fölényesen, 15 ponttal az ősi rivális Real Madridot megelőzve lett bajnok.
Vilanovánál először 2011 novemberében - amikor még Guardiola másodedzője volt - állapítottak meg rákot. Hátrahagyott két gyermeke közül az egyik jelenleg a Barcelona akadémiáján futballozik.