Situada en pleno Camino de Santiago, dista de Burgos 36 km (en dirección oeste) y de Logroño 78 km (en dirección este). Otros pueblos cercanos son Briviesca (25 km al norte) y Belorado (11 km al este).
Con un censo que no llega a 150 personas, la población real es bastante menor, quedando aproximadamente sesenta vecinos en los meses de invierno.
Situada a 948 metros sobre el nivel del mar, presenta inviernos fríos y veranos templados, con varias nevadas al año. El clima es continental.
El casco urbano es una larga tira de casas de 1 km aproximadamente, colocadas a un lado y otro de la transitada carretera N-120 (Logroño–Vigo), que funciona como calle mayor. Existe un proyecto para desviar la carretera por fuera del casco urbano, y convertirla en la autovía A-12, debido a los diferentes puntos negros que hay en el pueblo y alrededores, donde año tras año vuelcan numerosos camiones de gran tonelaje al finalizar el descenso del puerto de La Pedraja.
El río que cruza el pueblo de sur a norte es el río Oca afluente directo del Ebro. En la actualidad, aunque sus aguas están prácticamente intactas al ser el primer pueblo por donde pasa, ya no se puede encontrar la pesca y los cangrejos que lo poblaban hasta finales de los años 70.
Clima
El clima predominante es una variedad algo más fría y húmeda del clima mediterráneo continentalizado. En verano la temperatura sube con frecuencia por encima de 32 °C de día para descender hasta los 15 °C de noche. Los inviernos son fríos y rigurosos, con nevadas habituales (2 o 3 al año) y con temperaturas bajo cero la mayoría de noches.
Fundada como Auca por los romanos, algo más al sur de su enclave actual, fue semidestruida por la invasión musulmana en el siglo VIII. A medida que avanzaba su reconstrucción, ya en la Edad Media, su casco urbano fue trasladándose poco a poco hacia el norte, en pleno valle del Oca.
En las ruinas de la Ermita de San Felices (1 km al norte del actual casco urbano), se dice que está enterrado el fundador de la ciudad de Burgos, Diego Porcelos.
Debido a la dureza del clima de Villafranca, y su situación en las faldas de los Montes de Oca, su actividad económica principal es la agricultura y ganadería, y en menor medida la explotación forestal.
Iglesia de Santiago Apóstol (finales del siglo XVIII)
Al pie de la carretera, entre la iglesia y el ayuntamiento se halla el monumento al labrador. A la entrada de la iglesia se encuentra una concha gigante (Tridacna gigas), que pesa alrededor de 65 kg, como pila de gua bendita. Puede ser vista los domingos en horario de misa, o durante el verano, ya que abre sus puertas para disfrute de los peregrinos. A 3 km en dirección a Burgos, en pleno camino de Santiago y en el punto más alto del mismo en la provincia, está erigido un monumento dedicado a la memoria de los fusilados de la guerra civil. En el monumento pone: "No fue inútil su muerte, fue inútil su fusilamiento".
Patrimonio inmaterial
17 de enero: San Antón
Primer o segundo domingo de agosto: Romería, procesión y danzas a la Ermita de Oca. Fiesta popular con verbena y cuadrillas.
↑Álvaro Castresana López, "Una inscripción inédita en el Hospital de San Antón de Villafranca Montes de Oca: De res gestae Ioanne Ortega, provisoris villafrancae", en Estudios mirandeses: Anuario de la Fundación Cultural "Profesor Cantera Burgos", ISSN 0212-1875, n.º 31, 2011, págs. 121-138