És un enclavament de Navarra, envoltat per la província de Saragossa, a l'Aragó. Situat a la vall del riu Onsella, s'accedeix des de la carretera entre Navardún i Sos del Rei Catòlic en tot just 12 km. La peculiaritat geogràfica de Petilla de Aragón, un territori navarrès envoltat per terres aragoneses, ha estat l'esperó de l'eterna discussió sobre si Santiago Ramón y Cajal era aragonès o navarrès, pel fet que Ramón y Cajal abandonés en la seva més tendra infància les terres navarreses de Petilla i es criés en terres aragoneses, a més de ser descendent d'aragonesos. El terme municipal de Petilla està recorregut pel barranc de la Rinconera, un afluent del riu Onsella. Pel nucli de Los Bastanes discorre el barranc de los Bastanes, que desguassa en el riu Riguel en el terme d'Uncastillo, però prop de Layana. Al sud del terme municipal, en el límit amb el d'Uncastillo, es troben les majors altures d'aquest, les forests de Selva (1.159 m) i Cruz (1.132 m), les quals ja formen part dels contraforts occidentals de l'anomenada Serra de Santo Domingo.
Llengua aragonesa
També va ser l'últim poble de Navarra a mantenir viva la llengua aragonesa, la parlada en el seu entorn, per la seva pròpia situació geogràfica.
