Odile Vuillemin (* 8. Juli 1976 in Châlons-en-Champagne) ist eine französische Schauspielerin.

Odile Vuillemin wuchs zusammen mit ihrer Zwillingsschwester Sophie als eine von fünf Töchtern auf. Ihr Vater ist Ingenieur und ihre Mutter Hausfrau. Als die Zwillinge vier Jahre alt waren, zog die Familie nach Metz um. Nach einem Vorbereitungsjahr an der École des hautes études commerciales de Paris, studierte Odile Suillemin Soziologie, Psychologie und Allgemeine Sprachwissenschaften mit Schwerpunkt Chinesisch und Tahitianisch. Sie wollte zwar Ethnologin werden, brach jedoch ihr Studium ab und ging im Jahr 2001 zur Cours Simon, einer staatlich anerkannten, privaten Schauspielschule in Paris. Ihre erste Filmrolle erhielt sie noch im selben Jahr in dem Filmdrama Le Doux amour des hommes. Von 2009 bis 2016 spielte sie als Chloé Saint-Laurent eine der Hauptrollen in der französischen Krimiserie Profiling Paris, wodurch sie auch international Anerkennung erfuhr.