Ubicación
Villamañán se encuentra en la comarca Esla-Campos, a 767 msnm, en una zona predominantemente llana al sur de León. Limita al norte con Cabreros del Río, Ardón y Valdevimbre, al sur con San Millán de los Caballeros, al este con Fresno de la Vega, y al oeste con Pobladura de Pelayo García y Bercianos del Páramo.

Relieve
La geografía de la zona es característica por lo poco accidentado de su relieve,⁵​ debido en gran parte a que el río Esla pasa por las inmediaciones, creando una amplia vega. No obstante, esta descripción sólo corresponde a la mitad del municipio, pues la otra mitad, que corresponde a la llanura del Páramo Leonés, es más elevada, igual de llana que la vega pero algo accidentada en la transición entre ambas zonas. Además, es bastante peculiar la existencia de cerros arcillosos elevados sobre la llanura, denominados Oteros, que tradicionalmente eran aprovechados para crear bodegas para el vino. En el término municipal se encuentra el vértice geodésico de El Verde, a una altitud de 806 msnm.⁶​

Hidrografía
El municipio se encuentra atravesado en su parte oriental por el río Esla, que discurre de norte a sur. Prácticamente paralelo al mismo encontramos el canal del Esla, que desde el siglo XIX riega la rica vega del río. Por otro lado, también atraviesa el territorio el canal del Trasvase del Páramo Bajo, que surte de agua para riego a otros municipios de la comarca.

Clima
El clima en el municipio es, como en la mayor parte de la Meseta Norte, un clima mediterráneo continentalizado, levemente alterado por la influencia de la cordillera Cantábrica.⁷​ Las precipitaciones se reparten de manera irregular, con un máximo en primavera y en otoño y un mínimo en época veraniega. En cuanto a las temperaturas, los inviernos son fríos, con frecuentes heladas y nevadas esporádicas, mientras que los veranos son cortos y calurosos.