военный врач, лейб-хирург российского императорского двора (императоров Павла I, Александра I и Николая I), организатор военно-медицинского дела в российской армии; действительный тайный советник (1841). В 1808—1838 гг. президент Медико-хирургической академии, почетный член Петербургской АН (1814). Участник Отечественной войны 1812 г. Основатель (1823) «Военно-медицинского журнала».
По происхождению — шотландец, сын пастора, обучался в Эдинбурге в 1786—1790 годы, в 1794 заочно получил степень доктора медицины в Абердине. В 1790 году прибыл в Россию. Начал службу военным врачом Елецкого полка в литовских и польских землях. Выдвинулся благодаря успешной операции над И. П. Кутайсовым в 1795 году. С 1799 года — лейб-хирург Павла I, подписавший свидетельство о смерти Павла от «апоплексического удара», затем лейб-хирург Александра I и Николая I.
Внёс большой вклад в развитие военной медицины в России, в том числе разработал стройную систему оказания медицинской помощи в действующей армии в военное время. По отзывам его биографов, «едва ли найдётся хоть один уголок в области военно-медицинской службы, которого не коснулся неутомимый Виллие». Участвовал во всех войнах Российской империи в царствование Александра I, оказывая помощь раненым более чем в 50 сражениях (при Смоленске, Бородино, Тарутино, Малоярославце, Вязьме, Красным, Лютцене, Бауцене, Кульме, Лейпциге, Париже).
Главный медицинский инспектор армии с 1806 года, директор медицинского департамента военного министерства (1812—1836). После битвы при Прейсиш-Эйлау лично оперировал М. Б. Барклая-де-Толли. В 1812 году — главный медик действующей армии, участник Бородинского сражения, на поле битвы лично произвел более 200 операций и оказал помощь князю Багратиону. В 1814 году по рекомендации императора Александра I был удостоен британским принцем-регентом титула баронета — единственного в России.
В 1808—1838 годы — президент Медико-хирургической академии. Оставил должность в 1838 году в связи с нападением студента академии на профессора. Издатель первого российского медицинского журнала (1811 — «Всеобщий журнал врачебной науки», 1823 — «Военно-медицинский журнал»).
Рескриптом короля Великобритании Георга III от 25 мая 1819 года Яков Васильевич Виллие был возведён в достоинство баронета, а 2 февраля 1824 года Яков Виллие признан баронетом в Российской Империи. Жил на Английской набережной в доме 74. Завещал всё состояние на постройку Михайловской больницы. Построенная после его смерти больница, которая до Октябрьской революции называлась Клиническая больница баронета Виллие (Михайловская), была рассчитана на 150 больных, действовала в продолжение девяти учебных месяцев каждого года.