Bali a Kis-Szunda szigetek legnyugatibb tagja Indonéziában. Jávától keletre, Lomboktól pedig nyugatra fekszik. Indonézia 33 tartományának egyike, a tartományi főváros, Denpasar északi részén található.
3,2 kilométerre keltre fekszik Jáva szigetétől, nyolc fokkal délebbre az egyenlítőtől. Kelet–nyugati irányban a sziget kiterjedése 153 km, észak-déli irányban 112 kilométer, területe pedig 5633 km².  Legmagasabb pontja a Gunung Agung nevű aktív vulkán a maga 3142 méterével, ami legutoljára 1963 márciusában tört ki. A sziget keleti és középső részét hegyek alkotják, amelynek a Gunung Agung a legkeletibb tagja. Az 1717 méter magas Gunung Batur szintén aktív vulkán.

A sziget déli részén alluviális síkság található, melyet ekély folyók öntöznek, ezek az esős időszakokban általában kiöntenek. A legfontosabb városok közé tartozik Singaraja, a sziget északi kikötője, 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 a sziget kulturális központja.

A főutak a sziget partjait követik, a szigetet átszelő utak főleg észak-déli irányúak. A középső vidékeken húzódó hegyek miatt az utak a gyakran ezek vonalát követik. Bali szigetén nem találhatók meg vasúti sínek.

A sziget körül korallzátonyok vannak. A déli részen fekvő strandon a homok fehér, míg az északiakat és a nyugatiakat fekete homok borítja.