Вилючинская бухта глубоко врезана в материк в северо-западном направлении. При длине от середины входа в неё до вершины в четыре мили и ширине немногим более мили, бухта имеет почти параллельные берега.
В вершине её берег резко поворачивает под прямым углом к северу и становится низменным, принимая реку Вилючу, берущую начало от подножья одноимённого вулкана. Бухта получила название от вулкана Вилючинского (Вилючикского), обособленное положение и характерный силуэт конуса которого служат прекрасным ориентиром при подходе к берегу.
Прежнее, ительменское название бухты — Ниашкин (Наякшин). Вплоть до 50-х годов XX века бухта Вилючинская в местном языковом обиходе именовалась как бухтой Северной Жировой. Она использовалась как сезонная база петропавловских рыбаков для промысла и обработки авачинской сельди.
