Villamayor de los Montes liegt in der kastilischen Hochebene(meseta) gut 28 km südsüdwestlich der Provinzhauptstadt Burgos in einer Höhe von ca. 890 m. Durch den Osten der Gemeinde führt die Autovía A-1.
Das Klima ist gemäßigt bis warm; Regen (ca. 602 mm/Jahr) fällt übers Jahr verteilt.[2]