Вилючинская бухта глубоко врезана в северо-западном направлении в материк п-ва Камчатка. Бухта имеет почти параллельные берега; её размеры – 4 мили на 1 милю. В вершине берег поворачивает на 90° к северу, принимает р. Вилючу, начинающуюся от подножья одноименного вулкана. Именно панорама вулкана Вилючинского (в честь которого и названа бухта) открывается при входе кораблей в бухту.
Берега бухты утесисты, каменисты, есть много водопадов различной высоты, падающих с прибрежных скал. С моря бухта закрывается выдающимся от северного края рифом «Фальшивые островки». Средние глубины бухты – 12-15 м, максимальная – 30 м. Видимость под водой – до 15 м. Бухта открыта северо-восточным и восточным ветрам.
Вместе с дайвингом в бухте Вилючинской можно осуществить морскую и речную рыбалки на разные виды рыбы, в том числе терпуга, сельдь, палтуса и др.
GPS-координаты бухты Вилючинская: 52° 38' 9" N, 158° 26' 32" E