El municipio de Villalobar de Rioja se extiende en la Rioja Alta, sobre una superficie de 10,88 km2. Pertenece a la subcomarca de Santo Domingo de la Calzada y está incluido en el partido judicial de Haro. Limita al norte con Baños de Rioja y Ochánduri; al sur con Santo Domingo de la Calzada y Grañón; al este con Baños de Rioja y Bañares; y al oeste con Herramélluri.
Posee un solo núcleo de población que es el pueblo de Villalobar de Rioja, que se encuentra a 581 m sobre el nivel del mar, siendo sus coordenadas 42º 29’ de latitud norte y 2º 58’ de longitud oeste. Dista de la capital riojana 52 km.
Su relieve es considerablemente llano con un ligero descenso en dirección noroeste-suroeste y una altitud media de 600 m, solo se ve salpicado por pequeños cerros, sobre todo en su parte norte y oeste, que en general no sobrepasan los 650 m de altura, denominados Mojones Altos, Cerro Largo, Santa Marina, Cantera Sorda y Cantera Alta. En general, el término municipal comparte las características en cuanto al relieve de la unidad ambiental del Valle del Ebro, dentro de la que se encuadra, siendo básicamente un terreno compuesto por llanuras aluviales.
El municipio se halla en una zona modelada a expensas de niveles de glacis que se unen a los aterrazamientos que flanquean en ancho valle del Oja. Así en su margen izquierda recorta cerros testigo del interfluvio Oja-Tirón mientras que en la margen derecha se observan distintos niveles de terrazas que enlazan con niveles de glacis. En la mitad suroeste del término se encuentran depósitos del cuaternario formados por conglomerados asociados a los glacis y acumulaciones aluviales recientes. En la mitad noroeste aparecen materiales miocénicos compuestos por areniscas, limolitas, arcillas y conglomerados de borde.
En cuanto a la climatología, se podía clasificar como mediterránea semiárida menos seca. La duración media del período seco oscila entre dos y tres meses en casi todo el municipio prolongándose ligeramente en el extremo noreste. La duración media del período frío se sitúa entre seis y siete meses. La temperatura media anual se encuentra entre los 11-12º, variando entre los 20-22º del mes más cálido y los 4-5º del mes más frío. La precipitación media anual oscila entre los 500-600 mm, siendo la precipitación media estival de unos 100 mm y la evapotranspiración media anual entre los 700-800 mm. Los vientos dominantes son de orientación noroeste de influencia oceánica que suavizan un poco la marcada tendencia mediterránea de la zona.
El principal cauce que atraviesa el municipio es en Río Oja, que lo hace de sur a norte en unos 3.600 m, y que nace en la Sierra de la Demanda, en las inmediaciones del pico Gatón. El tramo de este curso fluvial, a su paso por Villalobar, se caracteriza por se un canal trenzado que refleja claramente las dificultades que experimenta para movilizar el material que le llega desde las laderas. Como consecuencia se producen acumulaciones sedentarias en forma de islas. Su caudal es bastante constante entre noviembre y marzo. En abril tiene lugar el período de aguas más altas, al coincidir las lluvias de ese mes con el deshielo que tiene lugar en San Lorenzo.