Wiljuisk entstand 1634 als "Tjukansker" oder "Werchnewiljuisker" Kosakenwinterlager. 1775 wurde die Siedlung im Rahmen der Aufteilung des Gouvernements Irkutsk in Provinzen und Woiwodschaften zu einem dem Ostrog Oljokminsk der Provinz Jakutsk zugeordneten Kommissariat. In die Gegend zur Zwangsarbeit verbannte Teilnehmer des Bauernaufstandes (1773–1775) unter Pugatschow errichteten den Ort an neuer Stelle, der daraufhin 1783 unter dem Namen "Olensk" (von russisch "olen" für "Hirsch", was sich auch im heutigen Wappen widerspiegelt) Stadtrecht erhielt und zum Verwaltungszentrum des riesigen Wiljui-Kreises der Oblast Jakutsk wurde. 1821 erfolgte die Umbenennung in Wiljuisk.