Вілейскі раён уваходзіць у склад Мінскай вобласці і размешчаны ў яе паўночна-заходняй частцы.
Землі раёна мяжуюць з Мядзельскім, Маладзечанскім і Лагойскім раёнамі Мінскай, Докшыцкім – Віцебскай, Смаргонскім – Гродзенскай абласцей.
Вілейскі раён уваходзіць у пяцёрку найбуйнейшых у Мінскай вобласці. Тэрыторыя раёна займае 2,4 тыс. кв. км, з іх 41% заняты лясамі.
Асноўная частка раёна размешчана ў межах Нарачана-Вілейскай нізіны.
Раён налічвае 405 сельскіх населеных пунктаў, у якіх пражывае 18791 чалавек, і горад Вілейку з насельніцтвам – 26015 чалавек.
Тэрыторыя раёна падзелена на 11 сельскіх Саветаў: Вязынскі, Даўгінаўскі, Іжскі, Ільянскі, Крывасельскі, Куранецкі, Любанскі, Людвінаўскі, Нарачанскі, Асіповіцкі, Хаценчыцкі.
Вілейка размешчана ў маляўнічай мясцовасці на правым беразе ракі Віліі. У 1974 годзе побач з горадам быў пабудаваны самы вялікі штучны вадаём у рэспубліцы. Вілейскае вадасховішча – плошчай каля 64 кв. км і аб’ёмам 238 млн. м³. Велізарны вадаём працягнуўся ў даўжыню на 27 км. Яго найбольшая шырыня – 3,6 км, найбольшая глыбіня – 14 м.
Працягласць тэрыторыі раёна з поўначы на поўдзень складае 58 км, з захаду на ўсход – 73 км. Праз раён праходзіць чыгуначная лінія Маладзечна – Полацк і дарогі рэспубліканскага значэння.