És director d’investigació al Departament de Psiquiatria de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Dirigeix la Unitat de Recerca en Neurociència Cognitiva (URNC) i la Càtedra “el cervell social” a la mateixa universitat. És també investigador adscrit a l’Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM).

La seva recerca està dedicada a l'aplicació tècnica de neuroimatge a l'estudi de les malalties mentals, però també a l'exploració de com el cervell s'adapta a reptes vitals tan diversos com la maternitat o la lluita ideològica. Vilarroya ha difós la seva recerca en articles científics, però també en llibres d'assaig com Somos lo que nos contamos (Ariel, 2019), Paraula de robot (Bromera, 2003) o La disolución de la mente (Tusquets, 2002). Ha col·laborat també en divulgació científica en mitjans de comunicació, sobretot en premsa i ràdio.