La ciutat se situa en un tómbol, una península rocosa, en origen unida a terra només per un istme de sorra, que feia fàcil la seva defensa, encara que ocasionalment s'inundava i quedava sepultat sota l'aigua del mar. Actualment, a causa de la construcció del port i dels edificis en l'istme, aquest curiós fet ha desaparegut. Sobre la penya s'alça el seu casc vell, del que sobresurt el castell del Papa Luna, dividint la costa de Peníscola en dues meitats absolutament diferents. Disposa d'àmplies platges tant al nord com al sud de la península del castell. El terme municipal de Peníscola inclou una de les serres litorals més verges de la costa valenciana, la Serra d'Irta, que acaba al mar en una costa rocosa baixa i en alguns punts, d'alts penya-segats, com el de la Badum. La serra ocupa les dues terceres parts meridionals del terme de 81 km². La part septentrional és una petita plana al·luvial que comparteix amb Benicarló i que arriba des del mar fins als cims del Puig.