Η Παλαιοχώρα είναι κτισμένη πάνω σε μία μικρή χερσόνησο, ανάμεσα σε δύο κόλπους στο Λιβυκό πέλαγος. Η χερσόνησος δεν υπήρχε κατά την αρχαιότητα και το ύψωμα όπου βρίσκεται το ενετικό φρούριο ήταν ένα μικρό νησάκι, μέχρι που ο θαλάσσιος πυθμένας ανυψώθηκε εξαιτίας ενός ισχυρού σεισμού σχηματίζοντας μια χερσόνησο. Στην ανατολική ακτή της χερσονήσου υπάρχει προβλήτα για τον ελιμενισμό πλοίων. Στο δυτικό κόλπο υπάρχει τεχνητό λιμάνι, ενώ στη νησίδα Σχιστονήσι, στο άκρο της χερσονήσου, λειτουργεί φάρος.