Villela foi criança tímida que, em suas palavras: se “enclausurava no desenho”. Precoce, já ilustrava as revistas Humanidades e Gente Nova, editadas pelo Instituto Lafayette, onde estudou. Em seu primeiro emprego, na loja Mesbla, passava o tempo desenhando no verso das fichas “Cardex”, usadas para controle de estoque. Por sorte, em vez de despedi-lo, seu chefe o mandou para o departamento de propaganda. Teve início, assim, a sua carreira.
Um ano depois, já fazia cartoons para as revistas Tico-tico, Vida Infantil e Vida Juvenil. Em seguida trabalhou na Rio Gráfica Editora (hoje Editora Globo) e no jornal O Globo, ilustrando crônicas de Elsie Lessa e Henrique Pongetti. Em 1950, quando J. Carlos faleceu, foi convidado para assumir seu lugar n’A Careta onde permaneceu por pouco tempo.
No ano de 1957 conheceu Aloysio de Oliveira – diretor artístico da gravadora Odeon – e seu jovem assistente André Midani. Passou, então, a criar as capas para a gravadora até 1962. Estima-se que tenha criado mais de 1000 capas para a Odeon, onde trabalhou, inicialmente, com o fotógrafo Otto Stupakoff e em seguida com Chico Pereira. Já no final da década de 1950, Villela começou a simplificar suas capas eliminando elementos supérfluos e promovendo uma grande limpeza gráfica que encontraria seu auge na década seguinte.
Em 1963, ao montar a gravadora Elenco, na qual abrigou os talentosos músicos da bossa nova que não encontravam lugar em outras gravadoras, Aloysio de Oliveira chamou Cesar Villela para a criar logo e capas. Lá, elas ganharam surpreendente concisão. Elegantes, apenas 2 cores, graficamente limpas e sofisticadas, elas se coadunavam perfeitamente com o espírito da bossa nova.
Com o golpe militar de 1964, surgiram dificuldades de trabalho. Villela mudou-se, então, com a família para os Estados Unidos, onde trabalhou na empresa Keitz & Herndon, em Dallas, cuidando de projetos de animação. Começou, também, a desenvolver carreira como artista plástico.
Até os anos 1990, passou apenas temporadas no Brasil, onde chegou a desenvolver capas para as gravadoras Festa, Quartin, Evento, Philips e Somlivre. Retornou definitivamente, ao Rio de Janeiro, em 2002 dedicando-se, hoje, basicamente à sua atividade como artista plástico.