Osornillo se localiza al oeste de la provincia, muy próximo a la de Burgos dentro de la comarca natural de Tierra de Campos. Se sitúa en la margen derecha del río Pisuerga, en una llanura con suaves ondulaciones.
Se accede desde el primero, a través de un desvío de la carretera de Santander N-611 hacia la P-4311 que en el kilómetro 23 atraviesa el casco