El núcleo de Mamillas se encuentra muy cerca del límite con Navarra, en la zona sur del término municipal de Sos del Rey Católico, a que pertenece, en la ladera sur de la sierra de Peña, a pie del barranco de Mamillas y del barranco de Galbarra, que desembocan en el arroyo de Castiliscar, afluente del río Aragón.