Né en 1955, Claude Vuillemin entreprend d'abord des études en architecture avant de suivre les cours de l'École Supérieure d'Art Dramatique de Genève (ESAD), dont il sort diplômé en 1981. Comme comédien, il joue principalement sous la direction d'André Steiger et de Benno Besson, avec qui il collabore de 1981 à 1989, à la Comédie de Genève et en tournées internationales.

Dès 1989, il fonde avec la comédienne Brigitte Raul le Groupe Eugène-Marie, compagnie de théâtre indépendante. Entre 1989 et 2003, il met en scène au Théâtres du Garage, du Grütli, du Loup et de l'Orangerie, notamment : L'Echange de Paul Claudel, Mercedes de Thomas Brasch, La Sortie au théâtre, cabaret de Karl Valentin. L'Homme, la bête et la vertu de Luigi Pirandello. Foi, Amour et Espérance d'Ödon von Horvàth. Le Bonheur des autres de Michael Frayn. Les Affaires sont les affaires d'Octave Mirbeau.

Dernièrement, on l'a vu jouer sur la scène du Théâtre des Amis, entre autres dans Le Misanthrope de Molière. Tue la mort de … Murphy, Le Barbier de Séville de Beaumarchais. Et aussi Bêtise et Méchanceté, de Labiche, Feydeau et Courteline.
Il interprète aussi le rôle titre de Topaze, à L'Orangerie, en juillet 2004.