La ciudad se sitúa en un tómbolo, una península rocosa, en origen unida a tierra solamente por un istmo de arena, que hacía fácil su defensa, aunque ocasionalmente se inundaba y quedaba sepultado bajo el agua del mar. Actualmente, debido a la construcción del puerto y de los edificios en el istmo, este curioso hecho ha desaparecido. Sobre la peña se levanta su casco viejo, del que sobresale el castillo del Papa Luna, dividiendo la costa de Peñíscola en dos mitades absolutamente diferentes. Dispone de amplias playas tanto al norte como al sur de la península del castillo. El término municipal de Peñíscola incluye una de las sierras litorales más vírgenes de la costa valenciana, la Sierra de Irta, que acaba en el mar en una costa rocosa baja y en algunos puntos, de altos acantilados, como el de la Badum. La sierra ocupa las dos terceras partes meridionales del término de 81 km². La parte septentrional es una pequeña llanura aluvial que comparte con Benicarló y que llega desde el mar hasta las cimas del Puig.