Villarramiel está situado en un evidente y extenso llano dentro de la comarca natural de Tierra de Campos, al oeste de la provincia de Palencia. El núcleo se encuentra al sur del actual trazado de la N-610 entre Palencia y Benavente, ya que se ha construido una variante de población que deja un sector industrial más al norte, con el cruce salvado por el paso elevado construido con posterioridad a la variante, y que constituye el mayor hito en el paisaje del entorno. Además de la N-610, en Villarramiel se unen otras cuatro carreteras que conducen a los núcleos vecinos de Guaza de Campos, Frechilla, Capillas y Castil de Vela.