Valles de Palenzuela liegt in der Kastilischen Hochebene(meseta) in einer Höhe von ca. 800 m ca. 40 km südwestlich von Burgos. Der Río Arlanzón begrenzt die Gemeinde im Nordwesten zur Provinz Palencia. Die Temperaturen sind im Winterhalbjahr durchaus kalt, im Sommer dagegen warm bis heiß; Regen (ca. 543 mm/Jahr) fällt übers Jahr verteilt.[2]
Die Gemeinde gehört zum Weinbaugebiet Arlanza (D.O.).