El río Palomillas, también llamado arroyo Palomillas es un río del oeste de la península ibérica perteneciente a la cuenca hidrográfica del Guadiana, que discurre por la provincia de Badajoz (España).
La cabecera del Palomillas está formada por varios arroyos que descienden desde Sierra Grande, en los alrededores de la localidad de Hornachos.
Desemboca en el embalse de Alange, donde confluye con el río San Juan.
Parte curso del Palomillas y de su afluente, el arroyo Lentiscarón, están declarados Zona Especial de Conservación (ZEC) por presencia de bosque ribereño termomediterráneo junto con retamares termófilos y bosques de quercíneas.
También destaca la presencia de los dos galápagos ibéricos (Emys orbicularis y Mauremys leprosa), el sapillo pintojo, la nutria entre los mamíferos, y un total de cinco especies de peces como son la boga de río, la pardilla, el calandino, la colmilleja y el jarabugo.