Thị trấn Phát Diệm cách trung tâm thành phố Ninh Bình 27 km về phía đông nam, thị trấn nằm trên quốc lộ 10 và ngã tư sông Vạc, sông Ân. Gần thị trấn còn có quốc lộ 12B từ Tam Điệp đi thị trấn Bình Minh và khu vực biển Ninh Bình và quốc lộ 21B nối từ Nam Định vượt sông Đáy đi qua Quang Thiện, Phát Diệm, Tân Thành, Yên Mô, Tam Điệp.

Thị trấn Phát Diệm có diện tích 1,05 km². Dân số năm 2010 là 10.687 người, mật độ dân số đạt 10.178 người/km².

Thị trấn Phát Diệm là đơn vị hành chính cấp xã có mật độ dân cư đông đúc thứ hai Ninh Bình, chỉ đứng sau phường Vân Giang, thành phố Ninh Bình với 18.829 người/km². Phát Diệm cũng đồng thời là một trong 5 đơn vị hành chính cấp xã có dân số lớn nhất Ninh Bình, theo thứ tự gồm: Khánh Nhạc, Trường Yên, Lai Thành, Yên Nhân, Phát Diệm.

Nằm ở trung tâm đồng bằng ven biển Kim Sơn, thị trấn Phát Diệm có địa hình bằng phẳng, ở độ cao trung bình từ 0,8 đến 1m so với mực nước biển.