ウィラメット川
8マイル)で、その流域面積は29,000平方キロメートル (11,200 sq mi)あり、概ね水系全体の97パーセントに当たる。この場所における最大流量は1996年2月9日の11,900立方メートル毎秒 (420,000 cu ft/s)で、この日に発生していた洪水(英語版)の際に記録された。最低流量は1978年7月10日の100立方メートル毎秒 (4,200 cu ft/s)である。ポートランドの別地点にある流量計での最大値は17,981立方メートル毎秒 (635,000 cu ft/s)で、1861年に起きた洪水(英語版)において記録されている。このような災害の発生が契機となって1936年に水防法(英語版)が制定され、ウィラメット川の主要支流にダムが建設された。
合流点から42.6キロメートル (26.5 mi)遡ったウィラメット滝までが潮汐の影響を受け、合流点から24キロメートル上流のロス島(英語版)付近まで河水の逆流が記録されている。アメリカ国立気象局はモリソン橋における潮位予想を公表している。
1805年から1806年にかけて行われたルイス・クラーク探検隊の活動において、往路の際に彼らはウィラメット川の合流点に気づきませんでした。復路にサンディー川流域の先住民からの聞き取りでこの見落としを知ったウィリアム・クラークはコロンビア川を下り直し、1806年4月にウィラメット川に到達した。
次にウィラメット川流域を訪れたのは太平洋毛皮会社(英語版) (PFC) に雇われた毛皮猟師で、続いて北西会社 (NWC) も参入してきた。シスキュー・トレイル(英語版)(カリフォルニア=オレゴン・トレイル)は元々先住民が切り開いた道で、ウィラメットバレーから南へ赴くために用いられた。このトレイルの全長は970キロメートル (600 mi)余りに及び、ウィラメット川の合流点からウィラメットバレーを縦断してシスキュー山脈を超え、サクラメントバレーを抜けてサンフランシスコに至る。
1812年、ウィリアム・ヘンリーとアルフレッド・シートンが PFC のアストリア砦(英語版)から船出してコロンビア川を漕ぎあがってウィラメット川に入り、現在のオレゴンシティーに位置するウィラメット滝のポッテージを通り抜け、両岸が平坦に広がる場所に居を定めた。後のシャンプーイー(英語版)であり、二人はここに最初の交易所を設立する。1813年初頭には、ウィリアム・ウォーレスとジョン・C・ハルゼーが、さらに南に遡った現在におけるセーレムの北側に2番めの交易所、ウォーレスハウス(英語版)を設けた。
米英戦争末期に、NWC が PFC を吸収合併した。無所属の猟師であるレジストレ・ベルエアやジョン・デイ (猟師)(英語版)、アレクサンダー・カーソンは、1813~14年の冬にウィラメット川流域で毛皮猟に従事した。
外来種は29種が確認されており、カワマスやブラウントラウト、レイクトラウト、オオクチバスにコクチバス、ウォールアイ、コイ、ブルーギルなどが見つかっている。両生類はオオトラフサンショウウオ(英語版)など18種が、哺乳類はビーバーやカナダカワウソなど69種が棲息している。鳥類はメキシコカワガラスやミサゴ、シノリガモなど154種が頻繁に観察される。流域に生息する15種の爬虫類の中にはガーターヘビ(英語版)がいる。
流域における種の多様性は下流部とそこに合流する支流でかなり高い。この地域の絶滅危惧種としては、キングサーモンやウィンター・スティールヘッド(ニジマスの亜種)、サケ、ギンザケなどが指定されている。ウィラメットバレーの中央部では、ハクトウワシやフェンダーズ・ブルー・バタフライ(英語版)、オレゴンチャブ、ブラッドショーズ・デザート・パセリ(英語版)、そして様々なウィラメット・フリーベイン(英語版)にキンケイズ・ルパイン(英語版)の棲息地を確保するため、湿原の維持と復元を目的とした複数のプロジェクトが行われてきた。21世紀初頭には川沿いでミサゴの個体数が増加しているが、これは殺虫剤のDDTの使用が禁止され、電柱上への営巣を妨害しなくなったためと考えられる。入植以前と比べ激減したと推定されているビーバーの個体数も増加傾向にある。