Vilafranca es troba situada al sud de la comarca Els Ports, en el límit occidental de la província de Castelló.
El seu terme municipal té una extensió de 93,74 km2. Limita al nord amb Portell de Morella, Castellfort i Ares del Maestrat; a l’est amb Benassal; al sud amb Vistabella del Maestrat; i a l’oest amb Mosqueruela i Iglesuela del Cid, les dues poblacions pertanyents a l’Aragó.
El municipi està ubicat en un elevat altiplà a 1.125 metres sobre el nivell del mar. No obstant, la resta del terme municipal és molt accidentat i presenta diferències de nivell de més de 900 metres. La cota més baixa està a 730 metres al llit del riu Montlleó, en la masia de La Ferranda. El Tossal dels Montllats, amb 1.643 metres d’altura, és el punt més elevat del terme municipal, de la comarca Els Ports i la tercera cima més alta de la Comunitat Valenciana.
Altres elevacions del territori són el Tossal del Mas de Coder (1.476), el Tossal del Mas d’Altaba (1.444), el Tossal de Tosca (1.381), el Tossal d’Arriello (1.316), el Picaio (1.304) i el Cabesso (1.291). Totes aquestes altures formen part dels contraforts més orientals del Sistema Ibèric.
