Η Πολυρρήνια γεωγραφικά ανήκει στο Δήμο Κισάμου του νομού Χανίων, το δυτικότερο τμήμα της Κρήτης. Αναπτύσσεται αμφιθεατρικά στην πλευρά φυσικά οχυρής ακρόπολης, με θέα το Κρητικό και το Λιβυκό πέλαγος. Χτίστηκε στην πλαγιά ορεινού όγκου του οροπεδίου της Μάγνας (890μ.) με υψόμετρο 418μ. κρυμμένη από τη θάλασσα με απόσταση μόλις 7 χλμ. Το τραχύ ανάγλυφο της περιοχής δημιουργεί έντονη εναλλαγή του φυσικού τοπίου με αποτέλεσμα την δημιουργία πολλών φυσικού κάλους τοπίων. Σε απόσταση μόλις 8 χλμ. νοτίως βρίσκεται το φαράγγι του Σηρικαρίου, ενώ 11 χλμ. νοτιοανατολικά βρίσκεται το σπήλαιο της Αγίας Σοφίας. Επιπλέον, ανατολικά ο περιπατητής έχει οπτική φυγή στο όρος Πλατανιανή(1849μ.) βόρεια και Αποπηγάδι(1331μ.) νοτίως τα οποία έχουν ως φυσικό όριο με τη Μάγνα τον ποταμό Τυφλό, ενώ στον ορίζοντα εμφανίζονται και τα Λευκά Όρη. Η Πολυρρήνια ποτέ δεν διέκοψε την επικοινωνία της με τα γειτονικά χωριά και τη γύρω περιοχή και αυτό αποδεικνύεται από τα ίχνη των αρχαίων περασμάτων. Το μεγαλύτερο αρχαίο πέρασμα το οποίο κατά τη Ρωμαϊκή περίοδο απέκτησε αψιδωτή πύλη βρίσκεται ανατολικά του οικισμού και το ενώνει με την ενδοχώρα και τους κοντινότερους οικισμούς Τσικαλαριά και Κουκουναρά. Σε ένα βαθμό η οικονομική ανάπτυξη και ο έλεγχος του εμπορίου οφείλονται στο αρχαίο πέρασμα που έλεγχε η Πολυρρήνια διότι αποτελούσε κύρια ορεινή σύνδεση της ενδοχώρας με τη θάλασσα σε δύσκολες περιόδους.
Επιπλέον, η Πολυρρήνια συνδεόταν άμεσα με την ενδοχώρα διότι στο παρελθόν κατά τα ρωμαϊκά και ενετικά χρόνια αποτελούσε ορμητήριο και κέντρο ελέγχου ολόκληρης της περιοχής. Επιπλέον κατά τις περιόδους ειρήνης αποτελούσε το «μάτι» της επαρχίας Κισάμου εφόσον διατηρούσε το οχυρό της ακροπόλεώς της. Συνεπώς, η Πολυρρήνια στο διάβα των αιώνων διατηρούσε προσβάσεις σε ολόκληρη τη περιοχή μέσω ορεινών δρόμων και μονοπατιών.
Σήμερα η επικοινωνία γίνεται είτε βόρια από τη σύνδεση Καστελίου - Πολυρρήνιας (7χλμ.), είτε νότια από την επαρχιακή οδό Κουκουναράς - Λουσακίων. Από τα Χανιά ο οικισμός είναι προσβάσιμος μέσω επαρχιακής οδού Χανίων - Κισάμου - Πολυρρήνιας (44,2χλμ.) όπου στο ύψος του Καστελίου στα αριστερά υπάρχει έξοδος για Πολυρρήνια. Σύνδεση με γραμμή του Κ.Τ.Ε.Λ. γίνεται μέχρι το Καστέλι με μέσο χρόνο μετακίνησης τα 50 λεπτά.