Villennes-sur-Seine liegt am linken Ufer der Seine, elf Kilometer westlich von Saint-Germain-en-Laye. Im Norden wird die Gemeinde begrenzt von Médan, im Westen von Orgeval und im Osten von Poissy.
Zum Gebiet der Gemeinde gehört eine Insel in der Seine: auf dieser Île de Villennes befindet sich ein privates Anwesen.