Villmar liegt im Lahntal zwischen Westerwald und Taunus, etwa 10 km östlich von Limburg. Naturräumlich umfasst das südwestliche Gemeindegebiet den Ostteil des Limburger Beckens (Villmarer Bucht), einer nahezu ebenen, sich nach Westen öffnenden 2-3 km breiten Terrassenflur in 160-180 m Höhenlage, in welche das enge, gewundene Untertal der Lahn ca. 50 m tief eingeschnitten ist. Bedingt durch das milde Klima und die flächenhaften mächtigen Lößlehmböden herrscht hier eine intensive ackerbauliche Nutzung vor. Nördlich davon schließt sich das etwas höher (220-260 m) gelegene waldreichere Weilbuger Lahntalgebiet mit dem Weilburger Lahntal und der Gaudernbacher Platte an, wo sich der Ackerbau auf einzelne Lößinseln beschränkt. Im Südosten erhebt sich der ebenfalls stärker bewaldete nordwestliche Teil des Östlichen Hintertaunus (Langhecker Lahntaunus) mit dem Villmarer Galgenberg (277 m) als dessen weithin sichtbaren westlichsten Vorposten nach dem Limburger Becken zu. Der höchste Punkt (332 m) der Gemarkung befindet sich südöstlich vom Ortsteil Langhecke, den tiefsten Punkt (114 m) bildet die Lahn an der Westgrenze zur Stadt Runkel.

Geologie 

Gelegen in der geologischen Lahnmulde ist Villmar reich an Bodenschätzen aus dem Mitteldevon (Silber, Eisenerz, Dachschiefer, Kalkstein), wovon der polierfähige Massenkalk (genannt Lahnmarmor), ein Riffkalk ist und besondere wirtschaftliche Bedeutung erlangte. Als Baumaterial fand neben dem Riffkalk der flächenhaft vorkommende, meist grünliche Diabastuff, auch Schalstein genannt, vielfache Verwendung (z.B. Ringmauer, Pfarrhaus und Kellergeschosse der meisten älteren Gebäude). Die jüngeren Ablagerungen aus dem Tertiär sind dagegen von untergeordneter Bedeutung, vereinzelt wurden im Bereich des Villmarer Galgenberges in geringem Umfang Sande und Kiese abgebaut. Der tertiäre Vulkanismus hinterließ einzelne Basaltvorkommen bei Falkenbach, Seelbach und Weyer, deren Abbau aber heute eingestellt ist.