Bali 3,2 kilométerre keletre helyezkedik el Jáva szigetétől, és mintegy 8 fokkal délebbre az egyenlítőtől. Kelet–nyugati irányban a sziget kiterjedése 153 km, észak-déli irányban 112 kilométer, területe 5633 km².

Legmagasabb pontja a 3142 méter magas Gunung Agung nevű aktív vulkán, mely utoljára 1963 márciusában tört ki. A sziget középső és keleti részét hegyek alkotják, melynek a Gunung Agung a legkeletibb tagja. Az 1717 m magas Gunung Batur szintén aktív.

A sziget déli részén alluviális síkság található, melyet a sekély folyók öntöznek, ezek az esős időszakokban kiöntenek.

A legfontosabb városok közé tartozik a sziget északi kikötője, Singaraja, amely a gyarmati időkben volt Bali fővárosa, valamint a sziget déli partjának közelében fekvő jelenlegi tartományi főváros és egyben a legnagyobb város, Denpasar. A fővárostól északra található Ubud múzeumaival, műtárgypiacával és galériáival kétségtelenül a sziget kulturális központja.

A szigetet korallzátonyok övezik. A déli részen levő strandok homokja általában fehér, míg az északiak és a nyugaton fekvők fekete homokkal borítottak. Az északkeleti Padangbai strandjain mindkettő megtalálható: a nagyobbik strand fehér, míg a délebbi sokkal sötétebb.

A főutak a sziget partjait követik, a szigetet átszelő utak főleg észak–déli irányúak. Balin nincs vasút.