Nació el 10 de agosto de 1757 en una casa de la plaza de las Coles (hoy plaza del Mercado), cerca de la calle Calderería, probablemente en una familia acomodada, y con un ambiente favorable para una buena formación: su padre era de profesión librero. En Xàtiva, entonces San Felipe, hizo sus primeros estudios (gramática y humanidades), siendo un alumno aventajado, pues a los 12 años marchó a València para iniciar la formación secundaria. En 1772 obtuvo el título de maestro en Artes y en 1776, con tan solo 19 años, el de doctor en Teología.

Finalizados sus estudios, ocupó la cátedra de Filosofía en el seminario de Orihuela, y en 1780 marchó a Madrid, donde estableció relación con un grupo escogido de intelectuales valencianos, entre ellos, Pérez Bayer y Bertrán, obispo de Salamanca e inquisidor general. Su relación con este último le permitió ser nombrado capellán, consultor de Tribunal de Corte y calificador del Santo Oficio.

Establecido en la corte madrileña inició una intensa actividad literaria: Oficio de la Semana SantaDe la obligación de decir la Misa con circunspección y pausa (1788), donde critica la relajación de costumbres de muchos religiosos en la celebración litúrgica; De la lección de la Sagrada Escritura en lenguas vulgares (1791), en la que justifica la necesidad de traducir la Biblia de las lenguas clásicas y ponerla al alcance del pueblo; Catecismo del Estado (1793), sobre el beneficio que supone para el Estado la práctica religiosa del pueblo; Año Cristiano (1795), obra de gran erudición sobre los santos y advocaciones religiosas españolas; Dominicas, ferias y fiestas movibles (1796-1803), complemento de la obra anterior y tratado de piedad y práctica religiosa; Kempis de los literatos (1807), conjunto de máximas y consejos; colaboración en Viaje literario a las iglesias de España, texto fundamental de la historiografía eclesiástica, obra de su hermano el dominico Jaime Villanueva, etc.
La actividad de Villanueva en estos años finales del siglo XVIII e inicios del XIX está en relación al movimiento jansenista, de gran influencia en estos momentos, partidario de una religiosidad profunda, buscando las raíces de la primitiva Iglesia, alejada de formalismos, contra la relajación de costumbres y defensoras del centralismo monárquico. Villanueva menudea los círculos intelectuales y religiosos más influyentes de Madrid, sintonizando con el poder y consiguiendo el reconocimiento por parte de las instituciones más importantes del país: es nombrado miembro de la Real Academia Española de la Lengua (1792), predicador de S. M. y rector de los Reales Hospitales de Madrid (1800), miembro de la Real Academia de la Historia y de la Orden de Carlos III.

La ocupación de España por las tropas napoleónicas produjo el alzamiento nacional y la Guerra de la Independencia (fue testigo del alzamiento popular en Madrid el día 2 de mayo de 1808 y de la represión posterior, al igual que Francisco de Paula Martí). Estos hechos supusieron un cambio profundo en su vida. En 1810 es designado diputado por València a las Cortes generales y extraordinarias que se celebrarán en Cádiz (1810-1813). De su participación en ellas dejó testimonio de primera mano en su libro Mi viaje a las Cortes, editado póstumamente en 1860. En ellas fue uno de los diputados más activos, produciéndose en él un profundo cambio alrededor de la concepción del Estado: soberanía nacional, muestra de expresión patriótica, frente al despotismo monárquico. Intervino en los debates sobre la Constitución de 1812, la abolición de la Inquisición, la reforma del clero, cuestiones económicas, etc.

Pocos setabenses han mostrado como él el amor por su tierra y su disposición incondicional para favorecerla. Apenas recibir la noticia de ser nombrado diputado a las Cortes ofreció sus servicios al gobernador y Ayuntamiento de la ciudad. Y su trabajo en ellas tuvo como resultado la restitución del nombre de Xàtiva, abandonando el ignominioso de San Felipe (sesión del día 26 de septiembre de 1811), y la restitución de la histórica sede episcopal (1814), desligándose de la de València, aunque de forma efímera, pues el 4 de mayo de 1814 Fernando VII implantaba nuevamente el absolutismo y abolía todo el trabajo de las Cortes. Villanueva fue encarcelado y posteriormente desterrado al convento de La Salceda (Guadalajara).
Una reacción liberal implantó en 1820 nuevamente la Constitución de Cádiz. Villanueva era liberado y marchaba a Cuenca, de donde era canónigo desde 1809. Por segunda ocasión es designado diputado a Cortes por València. Y otra vez, Villanueva trabaja por su ciudad, consiguiendo de las Cortes (1821) no ya sólo restablecer la catedralidad de Xàtiva, sino también que fuera nombrada capital de provincia.
Una nueva reacción absolutista (1823) impuso el gobierno despótico de Fernando VII, anulando la obra legislativa liberal, y Joaquín Lorenzo, junto a sus hermanos Jaime y Lorenzo tiene que emigrar. En Londres vivió los primeros años de exilio. Allí continuó con su gran afición, la escritura, y publicó Vida literaria (1825). En estos últimos años de su vida estuvo incluso próximo a traducir la Biblia al catalán.

En 1831 se trasladó a Dublín, acogido en casa de su amigo el reverendo William Yore, donde encontró afecto y atención. En esta ciudad publicó Poesías escogidas (1833). El 26 de marzo de 1837 moría, después de 14 años de exilio, muy lejos de su estimada ciudad, aquel quien probablemente más ha trabajado desinteresadamente por ella y que, sin duda, merece que todos lo tengamos en nuestra memoria.