Чалавек на тэрыторыі Вілейскага раёна з’явіўся ў 9-м тыс. да н.э. Археалагічныя помнікі эпохі мезаліту (сярэднекаменнага стагоддзя; 7-5 тыс. да н.э.) -стаянкі, на якіх знойдзены крэмневыя прылады працы, выяўлены каля вёсак Асташкава і Сасёнка. Каля вёсак Камена, Кастыкі, Куранец, Нарач, Рабунь і інш., выяўлены помнікі 4-га – 2-га тыс. да н.э. (эпохі неаліту), У паўночнай частцы сучаснага раёна жылі плямёны кундаўскай культуры, якіх у пачатку 4-га тыс. да н.э. змянілі плямёны нарвскай культуры, у 3-м тыс. да н.э. – культуры грабеньчата-ямачнай керамікі. Каля вёсак Ваўкалатка, Вязынь, Кастыкі, Куранец, Ліцвінкі, Асташкава, Рабунь і інш. знойдзены паліраваныя сякеры і іншыя прылады працы, якія адносяцца да эпохі бронзы (3-2-е тыс. да н. Помнікі ранняга жалезнага веку сведчаць аб засяленні раёна балцкімі плямёнамі культуры штрыхаванай керамікі. На гарадзішчах і селішчах каля вёсак Арпа, Бязводнае, Баравое, Галінава, Даўгінава, Малышкі, а таксама каля Вілейкі выяўлены рэшткі наземнага жылля слупковай канструкцыі, сляды вытворчасці жалеза. Тут знойдзены жалезныя сярпы, шылы, нажы, дзіды, пярсцёнкі, фібулы, бранзалеты і ляпны посуд. Даследаванні селішчаў Даўгінава, Сасёнка, Гуркі сведчаць, што ў сярэдзіне 1-га тыс. да н.э. на змену культуры штрыхаванай керамікі прыйшла банцараўская культура. Пахавальнымі помнікамі славянскага крывіцка-дрэгавіцкага насельніцтва з’яўляюцца курганньге магільнікі 8-11 стагоддзяў каля вёсак Галінава, Журыхі, Камена, Забор’і і інш. У раёне налічваецца больш за 20 курганных могільнікаў 9-12 стагоддзяў.
У 10-13 стагоддзях тэрыторыя раёна ўваходзіла ў Полацкае княства; з 14 ст. – у Вялікае княства Літоўскае.
Самае ранняе з выяўленых у пісьмовых крыніцах згадак Вілейкі датуецца 1460 годам.
У 1793 г. пасля 2-га падзелу Рэчы Паспалітай тэрыторыя раёна — у складзе Расійскай імперыі. 14 мая 1795 г. Вілейка атрымала статус горада – цэнтра Вілейскага павета Мінскай губерні; 2 лютага 1796 г. зацверджаны герб павятовага горада. З 1842 па 1917 гг. Вілейскі павет – у складзе Вілейскай губерні.
З 18 стагоддзя ў Іллі дзейнічала шкляная мануфактура – адна з найбуйнейшых на Беларусі. Каля Даўгінава ў 1823-67 гг. працавала суконная фабрыка.
У 1-ю сусветную вайну падчас ліквідацыі Свянцянскага прарыву 22-23 верасня 1915 г. праведзена Вілейская наступальная аперацыя расійскіх войскаў. У снежні 1917 г. на тэрыторыі раёна ўстаноўлена Савецкая ўлада. У лютым-снежні 1918 г. раён акупаваны германскімі войскамі, у ліпені 1919 – ліпені і з верасня 1920 г, – польскімі войскамі, у 1921-1939 гг. – у складзе Польскай дзяржавы.
У 1939 г. Вілейскі раён увайшоў у склад БССР. З 4 снежня 1939 г. Вілейка — цэнтр вобласці да верасня 1944 г., затым у складзе Маладзечанскай, са студзеня 1960 г. – Мінскай абласцей.
У гады Вялікай Айчыннай вайны з 25 чэрвеня 1941 па 2 ліпеня 1944 гг. раён акупаваны нямецка-фашысцкімі захопнікамі, якія знішчылі больш за 15 тысяч мірных жыхароў, спалілі разам з насельніцтвам 5 вёсак; вёскі Хаценчыцкага с/с Любча і Боркі не адноўлены пасля вайны.
Супраціў акупантам з ліпеня 1941 г. аказвала Вілейскае антыфашысцкае падполле. Дзейнічалі Вілейскі падпольны абкам партыі і камсамола, Ільянскі і Куранецкі падпольныя райкамы партыі і камсамола, Вілейскае партызанскае злучэнне, асобныя партызанскія атрады і брыгады. Становішча на франтах і ў тыле ворага асвятлялі падпольныя газеты “Партызанская праўда”, “Сялянская газета”, “Народны помсьнік”, “Маладзёжная газета” і інш.
5 ліпеня 1946 г. Куранецкі раён перайменаваны ў Вілейскі, 20 лiпеня г. да Вілейскага раёна далучана частка Крывіцкага раёна – на гэтым завяршылася тэрытарыяльна-адміністрацыйнае ўладкаванне раёна.