Город основан на месте впадения реки Вытегра в реку Вянги (карел. vengi — «ручей, небольшая речка, протока»), где издавна была деревня Вянги, а при ней Вянгинская пристань. В момент придания поселению статус города, дали название по бо́льшей реке Вытегра. Гидроним Вытегра по оценке Александра Васильевича Кузнецова имеет финно-угорское происхождение и восходит к саамским vuotte, vut — «рыболовная тоня» и jarga — «ландшафт устьев рек, впадающих в озёра, где песчанные насосы соседствуют с топкими болотами и протоками»[2]. Формат -егра характерен для финно-угорских названий, и широко представлен на Севере европейской части России.
Город расположен на реке Вытегра, (пристань в 15 км от Онежского озера), на Волго-Балтийском водном пути, в 150 км от железнодорожной станции Подпорожье, в 337 км к северо-западу от Вологды. Самый северный город Вологодской области.
Город Вытегра, как и вся Вологодская область, находится в часовом поясе, обозначаемом по международному стандарту как Moscow Time Zone (MSK). Смещение относительно Всемирного координированного времени UTC составляет +3:00.
По классификации климатов Кёппена Вытегре соответствует Dfb. Лето в городе тёплое, но короткое. Максимум осадков приходится на лето, всего их выпадает 700 мм в год. Осень и весна затяжные.
Первое письменное упоминание о Вытегорском погосте на торговом пути Великий Новгород — Шексна относится к 1496 году.
На карте Московии от 1706 года (Carte de Moscovie /// Andre Artemonde de Matueoe) уже есть упоминание как 'Vitzgora ou Vitegra', стоящей на реке Вытегра (R. de Vitegra).