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Palma erstreckt sich entlang der Bucht von Palma an der Küste des Mittelmeeres im Westen der Insel. Die Agglomeration der Stadt ist etwa 30 Kilometer lang und erstreckt sich entlang der Küste von Magaluf im Westen bis nach S’Arenal im Osten. Hier leben mit etwa 500.000 Einwohnern mehr als die Hälfte der Einwohner Mallorcas.

Nordwestlich der Stadt liegt die Serra de Tramuntana und nordöstlich einige kleinere Hügelketten, die Palma von der zentralen Ebene Mallorcas trennen. Nach Osten erstreckt sich an der Küste der Sandstrand Platja de Palma über etwa zehn Kilometer nach S’Arenal. Westlich liegt die Bucht Cala Major.

Das Zentrum der Stadt bildet die historische Altstadt innerhalb der 1902 abgebrochenen Stadtbefestigung, deren Verlauf heute von der städtischen Ringstraße nachgezogen wird. Es folgt ein etwa ein bis zwei Kilometer breiter Gürtel dichter städtischer Bebauung, der unter anderem den im Südwesten gelegenen Hafen umfasst und vom Autobahnring umschlossen wird. Außerhalb des Autobahnrings (Ma-20) liegen die Vororte und Gewerbegebiete, die teils eingemeindet sind und, teils eigene Gemeinden wie beispielsweise Marratxí bilden.

Zusätzlich gehört die südlich von Mallorca gelegene Insel Cabrera administrativ zur Gemeinde Palma.