Situada en un valle formado por el río Carrión –que atraviesa la localidad de norte a sur–, Velilla del Río Carrión es puerta de acceso a la Montaña Palentina –primeras estribaciones de la cordillera Cantábrica–, donde se encuentran algunas de sus máximas elevaciones: Espigüete (2.450 m) y Pico Murcia (2.431 m).