Ο Δήμος Παλλήνης καλύπτει το νότιο άκρο της χερσονήσου της Κασσάνδρας η οποία αποτελεί τη δυτικότερη από τις τρεις χερσονήσους του Νομού Χαλκιδικής.

Η χερσόνησος της Κασσάνδρας έχει συνολική έκταση 349.300 τετραγωνικά μέτρα και το μέγιστο υψόμετρο είναι 353 μέτρα. Το έδαφος είναι ηφαιστιογενές και ενδείκνυται για αγροτικές καλλιέργειες. Το κλίμα είναι ήπιο μεσογειακό.

Ο Δήμος Παλλήνης συνορεύει βόρεια με το Δήμο Κασσανδρείας, νότια και δυτικά βρέχεται από το Αιγαίο Πέλαγος, ενώ ανατολικά από τον κόλπο της Κασσάνδρας.

Η έκταση του δήμου είναι 128.183 στρέμματα, από τα οποία, εκτός από τις καλλιεργήσιμες εκτάσεις, σημαντικό τμήμα είναι πευκοδάσος. Στην πραγματικότητα το μεγαλύτερο μέρος της έκτασης του Δήμου αποτελείται από πευκοδάσος, το οποίο καλύπτει όλη την ημιορεινή περιοχή, ενώ τα λίγα πεδινά τμήματα καλλιεργούνται.

Στα δάση της Παλλήνης παλιότερα ζούσαν διάφορα άγρια ζώα όπως ελάφια, ζαρκάδια, αγριόχοιροι, όμως σήμερα διαβιούν μόνο μικρότερα ζώα. Το χαρακτηριστικότερο είδος που ζει στη Παλλήνη είναι ένα σπάνιο είδος νεροχελώνας (Emys orbicularis, Mauremus caspica). Το είδος αυτό ζει σε μία πανέμορφη λίμνη, την Μαυρόμπαρα, που βρίσκεται μέσα στα κατάφυτα βουνά της Παλλήνης.