Cabeza la Vaca se sitúa al sur de la provincia de Badajoz limitando con Huelva al sur y con los términos municipales de Calera de León al este, Segura de León al noroeste, Fuentes de León al oeste y Fuente de Cantos al norte.
Está situada a 759 metros de altitud sobre el nivel del mar, lo que la convierte en el pueblo más alto de la provincia de Badajoz. Su entorno supera los 850 metros de media, alcanzando alguno de sus puntos más elevados los 1.069 m .
Cabeza la Vaca está rodeada por zonas de olivar a la que continúa dehesas de encina y alcornoque que ocupan la mayor parte del término y de la que se obtienen los principales recursos.
Podemos encontrar otras especies vegetales que surgen gracias a las abundantes precipitaciones que se generan en esta zona de sierra y que están en torno a los 900 mm. Así aparecen especies como el roble melojo o el castaño, más propias de zonas más al norte de la península.
Existen otras especies como el pino piñonero, el resinero o el carrasco, especie de repoblación que ha sustituido al roble original en algunas zonas.
Se hallan manchas de bosque mediterráneo donde encontramos especies arbustivas características, como el jaguarzo, la jara, el brezo, etc.
Otras formaciones que podemos ver en el término son las características de las riberas, con formaciones de chopos, olmos, álamos y fresnos o los tamujares, endémicos del suroeste peninsular.