В 1567 г. местечко уже было известно под названием Куренец (Куренец на Виллии), в составе Куренецкого государства. В конце XVI в. произошла замена названия на нынешнее.
В XVII—XVIII вв. местечко в составе Вилейского староства, в Ошмянском уезде Вилейского воеводства Великого княжества Литовского.
В XVI в. принадлежала роду Куренецких. После 2-го раздела Речи Посполитой (1793) — в составе Российской империи. Екатерина II даровала ее минскому генерал-губернатору Корнееву. С 1795 г. Вилейка — центр Вилейского уезда. 22 января 1796 г. утвержден герб города: красный фон щита пересекает изображение реки с судном и золотым колосом. Развитию Вклейки способствовало торговое судоходство. По Вилии в Западную Европу вывозили дерево, лен, пеньку, зерно, воск.
В городе ежегодно проводились 2 ярмарки. К концу XIX в. торговля сократилась. Большие потери городу нанесли пожар 1810 г. и Отечественная война 1812 г. Во время национально-освободительного восстания 1830—1831 гг. в городе с 8 апреля по 1 сентября 1831 г. действовал повстанческий комитет во главе с Ра-дишевским. Восстание было подавлено царскими войсками под командованием Софья-нова. Во время восстания 1863—1864 гг. в уезде выступал отряд В. И. Козела (разбит в стычке под Владыками). В середине XIX в. здесь находилось поместье с дворцом, куда входили 2 тюрьмы, церковь, 3 молитвенных дома, 3 часовни, госпиталь, винокурня, 14 лавок, 272 дома. В 1861 г. — 2 931 житель, в 1880 г. — 3 450.
Город застраивался преимущественно деревянными одноэтажными домами, был разделен на кварталы. В 1909 г. через город прошла железная дорога. Во время 1-й Мировой войны здесь дислоцировался корпус русской 10-й армии Западного фронта. С 1921 г. — в составе Польши. Действовали подпольные райкомы КПЗБ и КСМЗБ, организации Белорусской крестьянско-работнической громады.
С конца 1939 г. — в составе БССР, центр Вилейской области. В 1939—1941 гг. выходила "Крестьянская газета", в редакции которой работали М. Танк, М. Машара, Н. Арсеньева, Е. Тутромант, М. Шила. В Великую Отечественную войну в оккупированной Вилейке немецко-фашистские захватчики уничтожили более 6 тысяч советских граждан. Большие потери нанесли фашистскому гарнизону в городе (3 тысячи солдат и офицеров) партизаны 1-й Антифашистской партизанской бригады.
С сентября 1944 г. входила в Молодечненскую область, с января 1960 г. — в Минской области, центр района. В 2002 г. в Вилейке более 30 тысяч жителей. Предприятия: AM РУП "Зенит", мебельная фабрика — филиал ЗАО "Молодечномебель", — авторемонтный, строительных материалов, комбикормовый, молочный, хлебозаводы. В центре города впечатляют архитектурные памятники: Кресто-воздвиженский костел (в стиле готики, начало XX в.), церковь (псевдорусский стиль, 1816). Сохранились построенные в начале XX в. жилой дом и здание больницы. В районе известны: Троицкая церковь и Станиславский костел (XIX в., д. Долгиново), здание былой гостиницы и Ильинская церковь (начало XX в., д. Илья), Петропавловская церковь, построенная из бутового камня (1868) и часовня (середина XVIII в., д. Косута), костел Матери Божьей (середина XVIII в., д. Костеневичи).
Путеводитель по городам и районным центрам Республики Беларусь. Минск, "Харвест", 2004.
Ближайшие города: Молодечно, Мядель, Воложин, Сморгонь, Докшицы.
