Pinilla de los Moros liegt im Herzen der Sierra de la Demanda in einer Höhe von etwa 970 m. Die Provinzhauptstadt Burgos ist knapp 50 km in nordwestlicher Richtung entfernt. Durch die Gemeinde und den Ort fließt der Río Pedroso, ein Nebenfluss des Río Arlanza. Das Klima im Winter ist rau, im Sommer dagegen gemäßigt und warm; der für spanische Verhältnisse ausreichende Regen (ca. 875 mm/Jahr) fällt überwiegend im Winterhalbjahr.[2]