Depuis 2011 à la DGITM, en qualité de sous-directeur des transports collectifs et des déplacements, Alexis Vuillemin y est chargé de la tutelle de la SNCF et de la RATP, du suivi de la politique d’investissement dans les transports collectifs (province et Ile-de-France), et est responsable de la mission d’autorité organisatrice des Trains d’équilibre du territoire.

De 2007 à 2010, il a été successivement conseiller au cabinet de Jean-Louis Borloo, ministre de l’Ecologie, et d’Eric Woerth, ministre du Budget, après avoir œuvré cinq ans à Bercy, à la direction du Budget.