Figlio di Gilles Lavillenie, si è avvicinato al salto con l'asta all'età di sette anni nel Cognac Athlétique Club sotto la guida del padre. Suo fratello minore Valentin, classe 1991, è anche lui saltatore con l'asta.
Il 21 giugno del 2009, in occasione degli Europei a squadre di Leiria, è stato il primo astista francese in assoluto a valicare l'asticella oltre i 6 metri in una gara outdoor. Ai Mondiali di Berlino era stato annunciato come il probabile protagonista della finale. Durante gli ultimi salti si fece battere da Steve Hooker, medaglia d'oro, e dal suo connazionale Romain Mesnil medaglia d'argento.
Il 5 marzo 2011 si è aggiudicato per la seconda volta consecutiva il titolo di campione europeo indoor, a Parigi, ottenendo la misura di 6,03 m e stabilendo il nuovo record dei campionati, oltre a migliorare il record nazionale francese. Si trattava, all'epoca, della terza prestazione indoor di sempre: meglio di lui solo Serhij Bubka e Steve Hooker. Il trionfo francese è stato completato dal secondo posto del suo connazionale Jérôme Clavier.