Вилле — сын финского хоккеиста Эсы Пелтонена, выступавшего на 4 Олимпиадах (1968, 1972, 1976, 1980) и сыгравшего за сборную Финляндии 237 матчей.
Участник 13 чемпионатов мира, 4 Олимпиад и 2 Кубков мира. Всего на Олимпиадах, чемпионатах и Кубках мира провёл 137 матчей, в которых забросил 46 шайб и сделал 61 передачу. Интересно, что на всех 18 турнирах на высшем уровне Пелтонен делал хотя бы 1 результативную передачу, а без заброшенных шайб уехал только с чемпионата мира 2000 года. На всех 18 турнирах Пелтонен набирал не менее 3 очков.
В финале чемпионата мира 1995 года, проходившего в Швеции, Вилле Пелтонен на арене Глобен в Стокгольме забросил 3 шайбы в ворота сборной хозяев турнира (финны выиграли 4:1) и принёс Финляндии первое в истории золото чемпионатов мира.
На драфте НХЛ 1993 года был выбран в 3-м раунде под общим 58-м номером командой «Сан-Хосе Шаркс». 26 июня 1998 года обменян в «Нэшвилл Предаторз». 15 июня 2006 года как свободный агент подписал контракт с «Флоридой Пантерз».
Кроме НХЛ выступал в чемпионатах Финляндии, Швеции и Швейцарии.
В сезоне 2009/10 выступал в Континентальной хоккейной лиге за минское «Динамо». C 2010 года выступает в финской лиге за клуб ХИФК, где когда-то начинал карьеру.