Pinilla de los Barruecos liegt im Herzen der Sierra de la Demanda in einer Höhe von etwa 1090 m. Die Provinzhauptstadt Burgos ist knapp 65 km in nordnordwestlicher Richtung entfernt. Durch die Gemeinde und den Ort fließt der Río Pedroso, ein Nebenfluss des Río Arlanza. Das Klima im Winter ist rau, im Sommer dagegen gemäßigt und warm; der für spanische Verhältnisse ausreichende Regen (ca. 874 mm/Jahr) fällt überwiegend im Winterhalbjahr.[2]