Es director de investigación en el Departamento de Psiquiatría de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Dirige la Unidad de Investigación en Neurociencia Cognitiva (URNC) y la Cátedra "el cerebro social" en la misma universidad. También es investigador adscrito al Instituto Hospital del Mar de Investigaciones Médicas (IMIM).

Su investigación está dedicada a la aplicación técnica de neuroimagen en el estudio de las enfermedades mentales, pero también a la exploración de cómo el cerebro se adapta a retos vitales tan diversos como la maternidad o la lucha ideológica. Vilarroya ha difundido su investigación en artículos científicos, pero también en libros de ensayo como Somos lo que nos contamos (Ariel, 2019), Paraula de robot (Bromera, 2003) o La disolución de la mente (Tusquets, 2002). Ha colaborado también en divulgación científica en medios de comunicación, sobre todo en prensa y radio.