Mouillon a commencé sa carrière en tant qu'assistant-réalisateur et assistant de montage pour des réalisateurs tels que Claude Lanzmann, Jean-Luc Godard et Chris Marker. Il a fait ses débuts au cinéma comme scénariste avec le long métrage "La Poursuite de l'Aurore" en 1984.
Mouillon est surtout connu pour son travail de réalisateur et de scénariste de documentaires, notamment "Les Bêtes de la forêt", "Le Règne animal", "La Planète sauvage", "Nature et histoire" et "La Grande Aventure des léopards". Ses documentaires ont été acclamés pour leur qualité visuelle, leur profondeur intellectuelle et leur sensibilité à la nature.
En 1987, Mouillon a créé sa propre société de production, Les Films du Lutrin, afin de produire ses propres films ainsi que ceux d'autres réalisateurs indépendants. Il a également enseigné le documentaire à l'Institut des hautes études cinématographiques (IDHEC) et à l'École supérieure des beaux-arts de Paris (ESBA).
En 2018, il est nommé au César du meilleur court métrage documentaire pour "Au-delà de la mémoire", un court métrage qui raconte l'histoire d'un ancien résistant juif et de son retour à Ravensbrück, le camp de concentration allemand où il a été détenu pendant la Seconde Guerre mondiale.
Jean-Christophe Mouillon est considéré comme un des plus importants réalisateurs français du documentaire contemporain et sa carrière abonde en récompenses internationales. Ses films ont été diffusés dans de nombreux festivals internationaux tels que le Festival de Cannes, le Festival de Locarno, le Festival du film de Sydney et le Festival international du film d'animation d'Annecy.