יליד שנת 1944, נשוי ואב לשלושה, בנו של פרופ' זאב וילנאי, גדול חוקרי ארץ ישראל בדורות האחרונים וחתן פרס ישראל. במסגרת שירותו הצבאי התנדב לצנחנים, שירת כמפקד כיתה בגדוד 890, ומשם יצא לבית הספר לקצינים אותו סיים בהצטיינות.
את תפקידו הראשון כקצין מילא כמפקד מחלקה בצנחנים ולאחר מכן פיקד על פלוגת צנחנים במהלך הפעולות הראשונות מול ה"פתח" שהחל אז בביצוע פעולות חבלה במדינת ישראל. במסגרת זו נפצע קשה כאשר נטל חלק בפעולת התגמול בסמוע, בדרום הר חברון, בנובמבר 1966. עם התאוששותו מהפציעה קיבל לידיו את הפיקוד על סיירת צנחנים איתה לחם מלחמת ששת הימים.
ב-1970 סיים בהצטיינות את בית הספר לפיקוד ומטה של צה"ל ומונה לסגן מפקד סיירת מטכ"ל. בסיומה של אותה שנה התמנה למפקד גדוד 890 הגדוד בו החל את שרותו הצבאי בחטיבת הצנחנים, ופיקד על שורה של פעולות מעבר לגבול, בתחומי לבנון. ב- 1972 מונה מתן וילנאי לתפקיד קצין אג"ם בפיקוד המרכז, תחת פיקודו של אלוף רחבעם זאבי (גנדי) כשבקרבות מלחמת יום הכיפורים עמד בראש כוח משימה מיוחד שפעל בחזית המצרית.
ב-1974 מונה למפקד חטיבת צנחנים מילואים ולאחר זמן קצר למפקד חטיבת הצנחנים הסדירה כשבמבצע אנטבה שימש כסגן מפקד המבצע וכמפקד כח הצנחנים. ב- 1978 סיים את לימודיו במכללה לביטחון לאומי וקיבל את הפיקוד על בית הספר לקצינים של צה"ל. במהלך תפקידו זה, הקים וילנאי חטיבת נ"ט חדשה יבילת אוויר, וזאת כחלק מבניית תפיסה רחבה של הפעלת כוחות מוטסים בעומק שטח האויב.
בשנת 1978, בגיל 34, מונה לתפקיד קצין צנחנים וחי"ר ראשי (קצח"ר) והועלה לדרגת תת אלוף. לאחר שלוש שנים בהן עסק בעיקר בהטמעת לקחי מלחמת יום כיפור במערך החי"ר והצנחנים, מונה לתפקיד מפקד אוגדה משוריינת בצפון, בדרגת תת אלוף. בסיום הקרבות בביירות, במלחמת שלום הגליל, פיקד על מבצע פינוי כוחות צה"ל מבירות.ב- 1984, יצא לחופשת לימודים בארצות הברית ושימש עמית מחקר במרכז ללימודים בינלאומיים באוניברסיטת הרווארד, בבוסטון.
ב-1985 הועלה מתן וילנאי לדרגת אלוף ושירת כראש אגף כוח אדם במטכ"ל ומ- 1989 כאלוף פיקוד הדרום. בתפקיד זה שירת למעלה מחמש שנים, כולל בתקופת האינתיפאדה הראשונה והיה אחראי על ביצוע הפריסה מחדש ברצועת עזה, על פי הסכמי אוסלו.
ב-1994 מונה לתפקיד סגן הרמטכ"ל, כסגנו של אמנון ליפקין שחק. ב- 1998 יצא לחופשת לימודים בארה"ב והיה עמית מחקר במרכז ללימודים אסטרטגיים באוניברסיטת ג'ון הופקינס בוושינגטון. וילנאי התמחה בנושא "המהפכה בארגון הצבאי לקראת שנת 2000" ובארגון וניהול ארגונים גדולים. ביולי 1998 השתחרר מצה"ל בתום 36 שנות שירות צבאי.
את תפקידו האזרחי הראשון, עוד לפני הצטרפותו לפוליטיקה, הציע לו שר החינוך בממשלת הליכוד, הרב יצחק לוי, ומינה אותו לעמוד בראש הוועדה הציבורית למניעת אלימות בבתי הספר. בנוסף, עוד בטרם נכנס לפוליטיקה, היה שותף וילנאי בהקמתו של בית ספר לממשל במרכז הבינתחומי בהרצליה.
עם שחרורו מצה"ל, הוזמן וילנאי על ידי יו"ר מפלגת הליכוד, מר בנימין נתניהו, להצטרף למפלגתו תוך הצעה לשמש בתפקיד שר הביטחון בממשלה שיקים הליכוד לאחר בחירות של שנת 1999. וילנאי דחה את ההזמנה ובחר להצטרף למפלגת העבודה בראשית 1999.
לאחר ניצחונו של אהוד ברק בבחירות 1999, צורף מתן וילנאי לממשלה ומונה לתפקיד שר המדע, התרבות והספורט. בממשלה זו כיהן גם כיו"ר ועדת השרים לענייני האזרחים הערביים אשר במסגרתה עיצב תכנית כוללת לטיפול בבעיות המגזר הערבי "תכנית 4 מיליארד השקל". עם הקמתה של ממשלת האחדות הלאומית, בראשות אריאל שרון, בשנת 2001 המשיך וילנאי לכהן בתפקיד שר המדע התרבות והספורט וכחבר בקבינט המדיני בטחוני.
ב-2005, עם הצטרפות מפלגת העבודה לממשלה בראשות אריאל שרון, מונה לתפקיד שר במשרד ראש הממשלה וכאחראי על הקשר עם המתיישבים המפונים. באותה שנה התמודד מתן וילנאי לראשות מפלגת העבודה, אך כשבוע לפני הבחירות ויתר על התמודדותו ותמך במועמדותו של שמעון פרס מול עמיר פרץ.
בשנת 2006 נבחר וילנאי במקום ה-7 בבחירות המקדימות לרשימת מפלגת העבודה לכנסת ה-17. בכנסת זו שימש כחבר בועדת החוץ והביטחון, בה כיהן גם כיושב-ראש ועדת משנה לנושאי כוח אדם, וכן שימש כחבר בועדת חוקה, חוק ומשפט ובועדת המדע והטכנולוגיה של הכנסת.
במהלך שנת 2007, לאחר היבחרותו של אהוד ברק ליו"ר מפלגת העבודה ומינויו לשר הביטחון בממשלתו של אהוד אולמרט, מונה מתן וילנאי לתפקיד סגן שר הביטחון. בתפקיד זה משמש כאחראי על הטיפול בעורף המדינה, כחלק מהפקת לקחי מלחמת לבנון השנייה.