Melgar de Yuso se encuentra en extremo oriental de la provincia, próximo a la de Burgos, en la comarca natural de Tierra de Campos.

La carretera PP-4431 Astudillo-Osorno corre paralela al Pisuerga, situándose Melgar entre Villodre, 5 km al sur, e Itero de la Vega, 3 km al norte. Entre Itero y Melgar se cruza con la P-432, único paso sobre el río entre Astudillo y Lantadilla.