Villamartín liegt im Herzen der Provinz Cádiz in Andalusien, im Südwesten Spaniens. Die Stadt befindet sich in einer hügeligen Landschaft innerhalb der Sierra de Cádiz, unweit des Naturparks Sierra de Grazalema – einem der grünsten und ökologisch vielfältigsten Gebiete Andalusiens.
In der Umgebung befinden sich bedeutende Städte wie Jerez de la Frontera (60 km), Cádiz (80 km) und Sevilla (ca. 100 km). Die nahegelegene Sierra bietet beeindruckende Landschaften mit Bergen, Flüssen und Wanderwegen. Die Strände der Costa de la Luz sind ebenfalls in gut erreichbarer Entfernung für Tagesausflüge.
Das Klima ist typisch mediterran mit heißen Sommern und milden Wintern. Aufgrund der Höhenlage (rund 400 m über dem Meeresspiegel) sind die Temperaturen im Sommer jedoch angenehmer als in den tiefer gelegenen Regionen. Die beste Reisezeit ist Frühling oder Herbst, wenn das Wetter mild ist und die Landschaft in voller Blüte steht.