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.
Además del castillo templario, la ciudad cuenta con las murallas que Felipe II encargó al arquitecto militar italiano Giovanni Battista Antonelli, que fue quien las diseñó, siendo construidas entre 1576 y 1578. El Portal Fosc, llamado asimismo de Felipe II, es una de las tres entradas al casco histórico de Peñíscola; fue construido en 1578 y se atribuye su autoría al arquitecto Juan de Herrera.
El Portal de San Pedro o del Papa Luna, muestra en su parte central el blasón en piedra de Pedro de Luna. Era el acceso a la fortaleza desde el mar, cuando las aguas llegaban al pie de la muralla y las barcas varaban en la misma rampa al pie de este portal. Lo mandó construir el Papa Luna en 1414.
Otros lugares de interés son:
La marjal de Peñíscola. Es uno de los últimos humedales del Mediterráneo el ecosistema constituye el último refugio del samaruc.
La iglesia parroquial de Santa María, anteriormente nombrada de la Virgen del Socorro, con tracería gótica del siglo xv en parte de ella y elementos arquitectónicos (ménsulas esculturadas) y puerta de tradición románica. En ella fue nombrado obispo Alonso de Borja, miembro de la casa de Borja o Borgia, que posteriormente sería elegido papa con el nombre de Calixto III.
La ermita de la Virgen de la Ermitana, junto al castillo en la que se alberga la imagen de la patrona de la ciudad. Fue construida a principios del siglo xviii a expensas del gobernador de la ciudad, Sancho de Echevarría. Cuenta con una fachada de sillar, del típico barroco valenciano.
La ermita de San Antonio.
El Parque de Artillería, zona de casamatas y polvorines rodeados de jardines.
El Museo del Mar, donde se pueden encontrar exposiciones sobre la pesca y la navegación en la ciudad desde la antigüedad.
El Bufador, que es una gran brecha entre las rocas por la que «respira» el mar en los días de temporal.
El Parque natural de la Sierra de Irta, reserva de fauna y flora. En él se encuentra la Ermita de San Antonio, la Torre Badum o el Mas del Senyor entre otras construcciones. Son los últimos 14 km de costa virgen en el Mediterráneo desde Francia hasta cabo de Gata (Almería).