Willerstedt liegt in einem von sanften Hügeln umgebenen, nach Osten offenen Tal.
Über die Landesstraße 158 nach Buttstädt (5 km),  zur B 87 (7 km), über Pfiffelbach zur Kreisstadt Apolda (10 km) bzw. nach Weimar (18 km) oder zur A4 nach Mellingen (20 km) ist Willerstedt an das regionale und überregionale Verkehrsnetz angeschlossen. Bahnstationen in unmittelbarer Nähe befinden sich in Buttstädt, Apolda und Weimar. Omnibuslinien verkehren ebenfalls zwischen diesen Orten. 

Die Gegend um Willerstedt ist uraltes Siedlungsgebiet, denn innerhalb der Ortslage sowie östlich und westlich angrenzend sind Einzelfunde und Körpergräber aus der Stein- und Latinzeit geborgen worden.
Um die Jahrtausendwende wurde eine Ministieralen-Wasserburg (Motte) errichtet, die 1345 im so genannten Grafenkrieg wieder zerstört wurde. Der noch vorhandene Rest des Berghügels (9 m) ist der größte seiner Art in Thüringen und wurde 1110 erstmals urkundlich erwähnt durch den Ortsadligen Gerhard von Wilherstede.

Willerstedt ist baulich gesehen eine Kombination von Straßen- und Angerdorf. Von den umliegenden Erhebungen aus wirkt der Ort als geschlossene Einheit, eingelagert in sanfte Täler. Schon von weitem ist der Kirchturm zu sehen - der markanteste Punkt der Ortschaft.