Palo Alto es atravesada por varios arroyos que fluyen al norte de San Francisco Bay, Adobe Creek en su límite oriental, San Francisquito Creek en su límite occidental, y Matadero Creek en entre los otros dos. Arastradero Creek es afluente Matadero Creek, y Barron Creek está desviado a Adobe Creek, justo al sur de la carretera 101 por un canal de desviación. El cauce principal de San Francisquito Creek está formado por la confluencia de Corte Madera Creek y Bear Creek no muy por debajo de la presa de Searsville. Más abajo, Los Trancos Creek es afluente a San Francisquito Creek debajo de la Interestatal 280.

Palo Alto tiene una serie de hábitats naturales importantes, incluidos los estuarios, de ribera y bosque de robles. Muchos de estos hábitats son visibles en Foothill Park, que es propiedad de la ciudad. El Charleston Slough contiene una rica zona de marismas y litoral, proporcionando áreas de alimentación para una gran variedad de aves playeras y otra fauna del estuario.

Palo Alto se encuentra en la sección del sudeste de la península de San Francisco. Limita al norte con East Palo Alto, al este con Mountain View, hacia el sureste y el sur de Los Altos y Los Altos Hills, al suroeste de Portola Valley, y al oeste por Stanford y Menlo Park.

Según la oficina del censo de Estados Unidos, la ciudad tiene un área total de 25.8 millas cuadradas (67 km²), 23.9 millas cuadradas (62 km²) es tierra y 1.9 millas cuadradas (4.9 km²) (7.38 %) es agua.

La elevación oficial es de 56 pies (17 m) sobre el nivel del mar,^{[cita requerida]} pero los límites de la ciudad llegan así a las colinas de la península. Hay señales que denotan los límites de la ciudad de Skyline Boulevard (carretera 35) y el sendero Stevens Canyon (zona de la grieta falla de San Andrés).

Típico de la Bahía de San Francisco, Palo Alto tiene un clima mediterráneo, con inviernos fríos y húmedos y veranos cálidos y secos. Por lo general, en los meses de verano, cuando el sol se pone, fluye el banco de niebla sobre las colinas al oeste y cubre el cielo de la noche, creando así una manta que ayuda a atrapar el calor del verano absorbido durante el día. Aun así, es raro que la temperatura baja durante la noche a superar los 60 °F (16 °C).

En enero, las temperaturas medias oscilan entre 38,5 °F (3.6 °C) a 57,4 °F (14,1 °C). En julio, las temperaturas medias oscilan entre 54,9 °F (12,7 °C) a 78,4 °F (25,8 °C). La alta temperatura récord fue de 107 °F (42 °C), el 15 de junio de 1961, y la baja temperatura récord fue de 15 °F (–9 °C), el 17 de noviembre de 2003. Las temperaturas alcanzan los 90 °F (32 °C) o más en un promedio de 9,9 días. Las temperaturas descienden a 32 °F (0 °C) o más baja en un promedio de 16,1 días.

Debido a las montañas de Santa Cruz, al oeste, hay una «sombra de lluvia» en Palo Alto, lo que resulta en una precipitación media anual de solamente 15.32 pulgadas (389 mm). Precipitaciones mensurables ocurren en un promedio de 57 días por año. El año más lluvioso en el registro fue 1983 con 32.51 pulgadas (826 mm) y el año más seco fue 1976 con 7,34 pulgadas (186 mm). La mayor de las precipitaciones en un mes fue de 12,43 pulgadas (316 mm) en febrero de 1998 y la mayor de las precipitaciones en un día fue de 3,75 pulgadas (95 mm), el 3 de febrero de 1998. Las nevadas mensurables son muy raras en Palo Alto, pero una de 1,5 pulgadas (38 mm) cayó el 21 de enero de 1962.

Palo Alto se constituyó en 1894, y en 1909 creó, por carta municipal, un gobierno local que consta de un Consejo de la Ciudad de quince miembros, con responsabilidades para las distintas funciones gubernamentales delegadas a los comités designados. En 1950, el Ayuntamiento aprobó un Concejo municipal. Varios comités designados seguirá asesorando al Ayuntamiento en temas especializados, tales como la planificación del uso del suelo, los servicios públicos, y las bibliotecas, pero estos comités ya no tienen autoridad directa sobre el personal de la ciudad. Actualmente, el Ayuntamiento cuenta con solamente nueve miembros.

Los términos del alcalde y vicealcalde son por un año y vencen en la primera reunión en enero. La Elección Municipal General se celebra el primer martes después del primer lunes de noviembre, en los años impares. Los Términos del Consejo son para cuatro años. Un exalcalde describió una vez su posición como "Tengo un lugar de estacionamiento; eso es todo".

La ciudad es fuertemente demócrata con un 52% de los registrados con cualquier partido que son demócratas, frente al 25% registrado en el Partido Republicano. En la legislatura estatal, Palo Alto se encuentra en el Distrito Senatorial 13, representado por el demócrata Jerry Hill, y en el Distrito 24 de la Asamblea, representado por el demócrata Rich Gordon.

El gobierno federal de Palo Alto se encuentra en el 18o distrito del Congreso de California, representado por la demócrata Anna Eshoo.

Palo Alto consta de dos autopistas principales, la carretera 101 y la Interestatal 280, y es atravesada por el bulevar principal de norte a sur de la Península, El Camino Real (SR 82). La ciudad también cuenta indirectamente con la ruta 84 del Estado que atraviesa el puente de Dumbarton al norte.

No hay parquímetros en Palo Alto, y todos los aparcamientos municipales y estructuras de estacionamiento de varios niveles son libres (limitado a dos o tres horas cualquier día de la semana de 8 a 17h). El centro de la ciudad de Palo Alto ha añadido recientemente muchos nuevos lotes para llenar el desbordamiento de los vehículos.

Palo Alto tiene el aeropuerto de Palo Alto del condado de Santa Clara (KPAO), uno de los de una sola pista aeropuertos con más tráfico de la aviación general en el país. Es utilizado por muchos viajeros diarios que vuelan (por lo general en aviones monomotor privados) de sus hogares en el Valle Central para trabajar en el área de Palo Alto. Las principales compañías aéreas ofrecen servicios en el Aeropuerto Internacional de San Francisco (SFO), a unas 21 millas (34 km) al norte, y el Aeropuerto Internacional de San José (SJC), a unas 15 millas (24 km) al sureste.

El servicio de trenes se encuentra disponible a través de Caltrain, con servicio entre San Francisco y San José y que se extiende a Gilroy. Caltrain tiene dos paradas regulares en Palo Alto: una, en la avenida Universidad (locales y Exprés) y la otra, en la avenida California (local solamente). Una tercera, la estación de Stanford, que se encuentra al lado de la calle de Alma en Embarcadero Road, se utiliza para proporcionar servicios especiales para eventos deportivos ocasionales (generalmente de fútbol) en el Estadio Stanford. La parada de la avenida de la Universidad es la segunda más frecuentada (detrás de cuarto y Rey en San Francisco) de toda la línea de Caltrain.

La Autoridad de Transporte del Valle de Santa Clara (VTA) ofrece servicios de autobús principal a través de Palo Alto con rutas a la bahía sur y a Silicon Valley. El Distrito de Tránsito del Condado de San Mateo (SamTrans) proporciona servicio al condado de San Mateo, al norte. El Stanford University Free Shuttle (Marguerite) proporciona un servicio de autobús complementario desde y hacia el campus, y el Palo Alto Free Shuttle (Crosstown y Embarcadero), que circula con frecuencia y brinda servicio a los principales puntos de Palo Alto, incluida la biblioteca principal, el centro de la ciudad, el campo de golf municipal, el Centro de Tránsito de Palo Alto y las dos escuelas secundarias.^[4]​ El Dumbarton Express es un servicio de autobús con paradas limitadas solo en días laborables que conecta Union City BART en East Bay con Palo Alto a través del puente Dumbarton y presta servicio a la Universidad de Stanford, Stanford Research Park, Palo Alto Transit Center y Veterans Hospital.

El ciclismo es un medio de transporte popular en Palo Alto. El 9,5 % de los residentes va al trabajo en bicicleta,^[5]​ el porcentaje más alto de cualquier ciudad del Área de la Bahía y el tercero más alto de los Estados Unidos, después de Davis (California) y Boulder (Colorado). Desde 2003, Palo Alto ha recibido la distinción "Oro" de Comunidad Amigable con la Bicicleta de la Liga de Ciclistas Estadounidenses. Es también la cuna y sede de la bici Arco.

El terreno plano de la ciudad, las muchas calles residenciales tranquilas y la sombra de los árboles ofrecen comodidad y seguridad a los ciclistas, y el clima templado también ayuda a que el ciclismo sea muy popular.

Palo Alto fue pionera en la implementación del concepto de "bicicleta bulevar" en la década de 1980, cuando se modificó la calle residencial Bryant para dar prioridad a los ciclistas. Estas mejoras incluyeron la eliminación de señales de alto, la incorporación de señalización especial para bicicletas, la instalación de desviadores de tráfico y la construcción de un puente peatonal y ciclista sobre el arroyo Matadero Creek. Sin embargo, muchas calles arteriales con alto volumen de tráfico, que a menudo ofrecen las rutas más rápidas y directas hacia numerosos destinos, siguen siendo peligrosas para los ciclistas debido a la falta de carriles exclusivos. Vías como El Camino Real, Alma Street, Embarcadero Road y Middlefield Road fueron identificadas como de “alta prioridad” para la inclusión de carriles bici en el Plan de Transporte Ciclista de Palo Alto de 2003, pero aún no cuentan con la infraestructura necesaria para garantizar la seguridad de los ciclistas.

Las condiciones para caminar son excelentes en Palo Alto, excepto por el cruce de calles arteriales de mucho tráfico, tales como El Camino Real y Oregon Expressway. Hay aceras disponibles en casi todas las calles de la ciudad, con la notable excepción de la zona de Barron Park, que fue la última en incorporarse a la ciudad. Un extenso bosque urbano, protegido por el código municipal de la ciudad, proporciona sombra, diversidad visual y contribuye a la reducción de la velocidad del tráfico motorizado. Además, el 4,8 % de los residentes puede ir caminando hasta su lugar de trabajo.

Palo Alto tiene seis ciudades en hermanamiento:

•   Albi, Francia, desde 1994
•   Linköping, Suecia, desde el año 1987
•   Oaxaca, México, desde 1964
•   Enschede, Países Bajos, desde 1980
•   Palo, Filipinas, desde 1963
•   Tsuchiura, Japón, desde 2009

• William Bradford Shockley (1910-1989)
• Steve Jobs (1955-2011)
• Mark Zuckerberg (n. 1984)
• Larry Page (n. 1973)
• Serguéi Brin (n. 1973)
• Tim Cook (n. 1960)
• Jerry Yang (n. 1968)
• David Filo (n. 1966)
• Elon Musk (n. 1971)
• Jawed Karim (n. 1979)
• Hugo Sáez Contreras (n. 1979)
• Michio Kaku (n. 1947)
• Condoleezza Rice (n. 1954)
• Clayton Rohner (n. 1957)
• Jeremy Lin (n. 1988)
• Doug Clifford (n. 1945)
• James Franco (n. 1978)
• Lenika de Simone (n. 1988)
• Dave Franco (n. 1985)
• Katy Perry (n. 1984)
• Bree Turner (n. 1977)

• El Palo Alto

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