Bali es parte de las Islas menores de la Sonda. Tiene apenas 140 km de longitud este-oeste y 90 km de norte a sur, y una superficie de 5.636 km². Está situada aproximadamente a ocho grados al sur de la línea del Ecuador. Al oeste el estrecho de Bali, de 2,4 a 3,2 km de ancho, la separa de Java. Al este el profundo estrecho de Lombok, de entre 18 y 40 km de ancho, la separa de la isla de Lombok. El estrecho de Lombok coincide con el paso de la línea de Wallace que separa la ecozona Indomalaya de la ecozona Australasia.
La isla se compone de una cadena montañosa que se extiende de este a oeste. El punto más alto de la isla es el monte Agung con 3.142 m de altura, un volcán en actividad, que entró en erupción por última vez en marzo de 1963. La ladera norte es abrupta, con una estrecha llanura costera, mientras que la ladera sur baja suavemente hacia una llanura aluvial, regada por ríos poco profundos, seca en las estaciones secas e inundada durante períodos de fuertes lluvias.
La isla se encuentra rodeada por arrecifes de coral. Las playas en el sur son de arena blanca mientras que las del norte son de arena negra. Bali tiene un clima tropical monzónico, con una estación lluviosa de octubre a marzo y una estación seca de junio a septiembre. Durante el día la temperatura media es de 20 a 33° C, pero las zonas montañosas tienen temperaturas nocturnas más frías debido a la altitud.