La localidad se sitúa en el noroeste de la provincia palentina, junto al río que le presta su apellido. En el número 4 de la Plaza Mayor se encuentra el palacio barroco de los Enríquez, conocido popularmente como la casa del Tío Mateo o Tío Mateón.
Se trata de una construcción del siglo XVIII con dos plantas y fachada de unos 18 metros realizada con piedra de sillería. En el centro de la planta baja se abre un gran portal con arco escarzano sobre el que se encuentra un balcón volado con barandilla de hierro forjado, puerta enmarcada y pilastras de molduras a los lados, sobre el que se eleva un tímpano cuadrangular que muestra el escudo de los Enríquez y se remata con un frontón enmarcado en pináculos con bolas.
En la primera planta, a cada lado del balcón central se sitúa otro más pequeño y entre ambos un escudo con una inscripción debajo, a la izquierda el de la familia Valdepolo con la indicación "Armas de la casa de Baldepolo", mientras que el de la derecha corresponde a los Mogrobejo con el texto "Arnas de la casa de Morgobexo".
En la planta baja, presenta una ventana a la derecha de la puerta y debajo del balcón lateral, mientras que a la izquierda, que debió de ser simétrica y contar con una ventana similar, fue reformado al abrir una segunda puerta y un ventanal. Actualmente el edificio está destinado a viviendas.
Su territorio ya es mencionado en la antigüedad cuando el geógrafo e historiador romano Plinio el Viejo cita las Fuentes Tamáricas, que se han identificado como la actual fuente de la Reana.
A mediados del siglo XIV la localidad se la alude como "Velleolla" y tras la caída en desgracia y asesinato de Garcilaso de la Vega, pasa a ser behetría de Juan Alfonso de Alburquerque a quien por cada casa pagan anualmente 8 dineros en concepto de humazgo, así como la parte que les corresponde de los 986 maravedís de martiniega que debe pagar Guardo y sus aldeas. Además, pagan al rey monedas y servicios cuando los solicita.
Con el nombre de "Vililla de Guardo" aparece en 1587 donde datos eclesiásticos indican que pertenece al obispado de León, arciprestazgo de Triollo, con 34 vecinos, mientras que en el censo de 1591 se indican 58 vecinos de los que 40 son pecheros, 14 hidalgos y 4 clérigos. Junto con Otero, Mantinos y Villalba está incluida en la Tierra de Villafrechós, provincia de Valladollid.
Los 173 habitantes que tiene "Velilla de Guardo" en 1631, de los que 22 no alcanzan los 10 años, son considerados como 42 vecinos. Dispone de una cabaña ganadera de 161 cabezas de ganado mayor y 760 de menor. Tiene un concierto para suministro de 40 fanegas de sal anuales con las salinas de Poza de la Sal, aunque se les considera un uso de 45 fanegas.
La villa de Guardo y los cuatro lugares de su jurisdicción, entre los que se encuentra Velilla, figura con 86 vecinos en 1646, que ascienden a 104 en 1712.
A mediados del siglo XVIII figura en la provincia de Toro como lugar de señorío de la Duquesa del Infantado a quien pagan humazgo y martiniega. El número de vecinos es de 94 y dispone de 76 casas habitables, de las que 3 son propiedad del concejo, además de 23 arruinadas, 53 recintos para el ganado, 1 palomar, 5 molinos harineros, 2 pisones, 1 sierra de agua y 1 tejar.
En el censo de Aranda de 1768 aparece Velilla en la provincia de Toro, corregimiento de Carrión y obispado de León con una población de 488 habitantes, de los que 29 son hidalgos y 1 del Real Servicio. Tres años después se sabe que tiene 2 cofradías que gastan 820 reales de vellón entre las 4 fiestas que celebran al año.
El lugar en 1787 sigue siendo señorío secular del concejo de Guardo, y depende de la intendencia de Toro, partido de Carrión. Cuenta con 411 habitantes de los que 216 son hombres y 195 mujeres. Con ocupación específica hay 80 labradores, 16 jornaleros, 11 hidalgos, 9 criados, 3 artesanos, 1 estudiante, y relacionados con la iglesia 2 beneficiados, 1 cura y 1 sacristán. Dispone de un hospital para pobres aunque carece der personal interno.
En 1828 la localidad ya figura incluida en la provincia de Palencia con 486 habitantes, considerados como 120 vecinos, donde además de agricultores hay bastantes pescadores profesionales y otros que se dedican a la fabricación de cal, carbón de canutillo y de fragua, así como a la elaboración de aperos de labor. Quince años más tarde se censan oficialmente 77 vecinos de los que 68 son electores.
A mediados del siglo la población está compuesta por 385 habitantes, contabilizados como 74 vecinos, con un caserío formado por 100 casas, que dispone de una escuela a la que asisten 70 niños. La actividad productiva, aparte de la agricultura, la cría de ganado y la pesca, incluye 2 molinos harineros, varios telares, la obtención de cal y la elaboración de madera. Aumenta la población en 1857 a 488 personas, 239 hombres y 249 mujeres, que se reducen en 1874 a 471 habitantes, con un casco urbano con 91 casas.
Tres años después se confecciona un censo en el que figura Velilla con una población de derecho de 500 habitantes, de los que 263 son hombres y 237 mujeres.
Dispone la localidad en 1894 de 132 casas en el casco urbano, de las que 119 son de dos plantas y 13 de una, además en el municipio hay otras 6 casas de una planta y 10 albergues, para una población de 569 habitantes de hecho y 583 de derecho. A partir de 1960 la población ya aparece mencionada con su nombre actual, Velilla del Río Carrión.
Destacar en la localidad la mencionada fuente de La Reana, las antiguas "fontes Tamarici" mencionadas por Plinio el Viejo. Se trata de un estanque rectangular, con tres arcos de piedra del que únicamente uno es original, donde mana un manantial cárstico de forma intermitente. En su cabecera se conserva la mitad de un ara romana.
Junto a la fuente se encuentra la ermita de San Juan que alberga en su interior la mitad inferior de un ara romana y una talla policromada de San Juan.
En la Plaza Mayor, además del mencionado Palacio, se encuentra el edificio del Ayuntamiento y la iglesia parroquial que está dedicada a El Salvador, construcción del siglo XVI que en su interior presenta tres naves y se cubre con bóvedas de crucería gótica. Un paseo por la parte antigua del casco urbano aún se puede encontrar alguna casa blasonada.
Cerca de la localidad se encuentra la ermita de Nuestra Señora de Areños del siglo XVI, patrona de la localidad con una talla de la virgen dorada y policromada del XIII, y un retablo con varias tallas del XVIII.
En el municipio se pueden realizar varias rutas de senderismo o montañismo de diversa dificultad que permiten estar en contacto con la naturaleza, así como iniciar la Ruta de los Pantanos en coche.