Vilyuy có đầu nguồn tại khu tự trị Evenk cũ, chảy về phía đông và sớm vào lãnh thổ Sakha. Sông sau đó chuyển hướng nam và đông nam sau đó lại trở lại hướng đông, và cuối cùng đổ vào Lena khoảng 350 km xuôi dòng từ Yakutsk, gần Sangar. Phía tây Vilyui và Chona là lưu vực sông Nizhnyaya Tunguska.