В Испанию де Виллануэва вернулся только спустя семь лет и через год отправился в путешествие по Гранаде, во время которого рисовал арабские реликвии. Опубликованы эти рисунки были в 1804 году.
После окончания путешествия де Виллануэва обосновался в Мадриде, и вскоре был назначен академиком в Королевскую Академию изящных искусств Сан-Фернандо.
В 1777 году король назначил де Виллануэву королевским архитектором и инфантом.
С 1786 г. главный архитектор Мадрида, затем в 1789—1808 гг. главный придворный архитектор. С этого момента и до конца своих дней он проектировал практически только исключительно для королевского двора. Кроме того, через некоторое время архитектору было пожаловано очередное звание, которое вывело его жизнь на новый уровень.
В период до 1773 года он построил несколько зданий, по одному в год, для членов королевской фамилии в различных её резиденциях.
В общем и целом, за всю его жизнь де Виллануэва спроектировал значительное количество зданий, многие из которых являются блестящими образцами неоклассической архитектуры.
Главным шедевром его архитектуры является здание самого известного мадридского музея Прадо, проект которого создавался де Виллануэвой с 1785 по 1787 годы. Он проектировался изначально как здание музея истории.
В 1814 году он был преобразован в музей искусства.
Постройки
Ризница собора. Бурго де Осма (1770-83)
Эскориал (1771, реконструкция и реставрация отдельных частей)
Домик принца и Домик инфанта в королевском парке Эскориала (1772-77)
