Về phương diện địa lý, Penang được chia thành hai khu vực:

• Đảo Penang (Pulau Pinang): có diện tích 293 km2 (113 sq mi) tại eo biển Malacca; và
• Seberang Perai: một dải nội lục hẹp có diện tích 753 km2 (291 sq mi) trên bán đảo Mã Lai, cách đảo Penang qua một eo biển hẹp có chiều rộng nhỏ nhất là 4 km (2,5 mi). Dải đất này giáp Kedah ở phía đông và phía bắc, và giáp Perak ở phía nam.

Vùng biển giữa đảo Penang và Seberang Perai gồm có North Channel ở phía bắc của George Town và South Channel ở phía nam của nó. Đảo Penang có hình dạng không đều, vùng nội địa granit, nhiều đồi và hầu như được rừng bao phủ. Các đồng bằng duyên hải hẹp, rộng nhất trong số đó là tại đông bắc. Về tổng thể, đảo có thể được phân thành năm khu vực:

• Các đồng bằng phía đông bắc tạo thành một mũi đất hình tam giác, tại đây có thủ phủ của bang. Đây là khu vực nội thị có mật độ dân số cao, là trung tâm hành chính, thương mại, và văn hóa của Penang.
• Phần đông nam từng có các cánh đồng lúa và cây đước, song hiện hoàn toàn bị biến đổi thành các khu đô thị và công nghiệp.
• Phần tây bắc gồm có các bãi biển ven rìa, có các khách sạn và dinh thự nghỉ dưỡng.
• Phần tây nam gồm có những vùng quanh cảnh nông thôn rộng lớn duy nhất với các làng chài, vườn cây ăn quả, và đước.
• Dãy đồi trung tâm có đỉnh cao nhất là Western Hill với cao độ 830 mét trên mực nước biển.

Seberang Perai chiếm hơn một nửa diện tích của Penang, có địa hình chủ yếu là bằng phẳng ngoại trừ đô thị Bukit Mertajam. Khu vực có đường bờ biển dài, phần lớn có rừng ngập mặn. Butterworth là đô thị chính tại Seberang Perai, nằm dọc cửa sông Perai và đối diện với George Town với khoảng cách 3 km (1,9 mi) qua eo biển.

Đảo Penang gồm có hai huyện:

• Huyện Đông Bắc
• Huyện Tây Nam

Seberang Perai gồm có ba huyện:

• Huyện Bắc Seberang Perai
• Huyện Trung Seberang Perai
• Huyện Nam Seberang Perai

Do thiếu đất đai để phát triển, một vài dự án cải tạo đất được tiến hành nhằm tạo ra vùng đất thấp phù hợp tại các khu vực có nhu cầu cao như Tanjung Tokong, Jelutong và Queensbay. Các dự án này ảnh hưởng đến biến đổi dòng thủy chiều dọc theo các khu vực duyên hải của đảo Penang và gây ra sự lắng bùng của Gurney Drive sau khi cải tạo Tanjung Tokong.[31]

Các sông chính tại Penang gồm có sông Pinang, Air Itam, Gelugor, Dondang, Teluk Bahang, Tukun, Betung, và Prai. Sông Muda tách biệt Penang với Kedah ở phía bắc, trong khi sông Kerian tạo thành ranh giới giữa Penang, Kedah, và Perak. Sông Kerian nổi tiếng với những bầy đom đóm.[32]

Giống như phần còn lại của Malaysia, Penang có khí hậu nhiệt đới, chính xác hơn là khí hậu rừng mưa nhiệt đới tiếp giáp với khí hậu nhiệt đới gió mùa, song Penang trải qua điều kiện hơi khô hơn từ tháng 12 đến tháng 2. Khí hậu chịu ảnh hưởng lớn từ vùng biển xung quanh và chế độ gió. Do nằm gần Sumatra, Indonesia nên Penang dễ bị ảnh hưởng từ các hạt bụi do gió mang đến từ các đám cháy rừng, tạo nên một hiện tượng gọi là khói mù].[33]