La part interior del terme, muntanyosa, comprèn bàsicament formacions mesozoiques, triàsiques i cretàcies, les quals constitueixen les muntanyes del desert de les Palmes, que s’estenen en direcció NE-SW, paral·leles a la costa fins a la vall del riu Sec de Borriol, que recull les aigües del vessant de ponent. L’altitud màxima és la roca Blanca (628 m alt.), al límit entre Castelló, Benicàssim i Borriol, a l’extrem NE; la part meridional de les muntanyes és bastant més suau (el Collet i les serretes de la Magdalena no arriben als 200 m alt.). El glacis del piemont davalla suaument des d’una altura de 100-150 m fins a mar: es tracta d’una típica plana al·luvial d’origen plistocènic formada pels arrossegalls de les rambles i els rius procedents de les muntanyes veïnes. Aquesta part de la plana és limitada, al S, pel breu delta del Millars i, al N, per l’arribada de la serra d’Orpesa a la mar. Un probable moviment de submersió del litoral ha determinat l’existència d’una zona d’aiguamolls tot al llarg de la costa, separats de la mar per un cordó de dunes. Aquest sector d’estanys i marjals (entre els quals el Lluent de Castelló, els antics estanys del Manescal i de Vinamargo o de Vilamargo) és actualment sotmès a un procés de drenatge artificial per tal de transformar els aiguamolls i els arrossars en terres d’horta. Entre les muntanyes i les marjals hi ha la faixa d’estrats al·luvials característics (sorra, palets, argila), sobre els quals hi ha les millors terres de conreu. Els únics rius són el riu Sec de Borriol, que es perd al maresme, sense arribar a la mar, i la rambla de la Viuda, afluent del Millars, sobre la qual hi ha el pantà de Benadressa (o de Maria Cristina), antic i no gaire eficaç. La vegetació climàcica (carrasca, ullastre, margalló) és gairebé eliminada pels conreus agrícoles, excepte a la zona muntanyosa, on es dona acompanyada del pi blanc en extenses clapes de bosc i algun petit rodal vora mar.
El paisatge agrícola té tres sectors ben definits: el secà, l’horta i les marjals, des de la muntanya a la mar. El segon sector creix constantment a costa dels altres: l’arròs quasi inexistent per la dessecació dels aiguamolls, i el secà només ocupa el 10% de la superfície del terme. El regadiu utilitza, a més de l’aigua del subsol, la del Millars (segons antigues reparticions d’època islàmica i, després de la reconquesta, de la sentència arbitral de l’infant Pere d’Aragó, del 1346) a través de la séquia de Castelló (feta de nou, subterrània i separada de la d’Almassora el 1790), iniciada en un assut comú per a Castelló i Almassora, construït el 1613 (fins aleshores era aigua avall, a la desembocadura de la rambla de la Viuda) i refet el 1895, i subdividida en les séquies de Coscollosa, Major, Mitjana i d’Almalafa i el Sequiol. El 1283 Pere II de Catalunya-Aragó concedí a Castelló el nomenament de sobresequier, sobre el qual el 1318 deixaren de tenir jurisdicció el batlle i el governador. Hom aprofita les aigües de la rambla de la Viuda ja des del segle XVIII, però sobretot des de la construcció (1925) del pantà de Benadressa. Les aigües foren administrades pel consell municipal fins el 1878, que es formà el sindicat de la comunitat de regants (la de Benadressa fou constituïda el 1914). El 1898 hom constituí a Castelló la primera comunitat de llauradors dels Països Catalans. A hores d’ara, només un 4% dels ocupats del municipi treballen a l’agricultura. Els conreus han seguit l’evolució característica de les planes litorals: fins al segle XIX, predomini del secà (vinya, garrofa, olivera) sobre el regadiu (hortalisses, fruiterars, blat, arròs —malgrat diverses prohibicions per raons sanitàries—, canyamel, morera, cànem). Al principi del segle XIX s’hi estengué el conreu de les patates i del blat de moro. A mitjan segle XIX, a partir sobretot del 1845, començà a assolir-hi importància el taronger, que actualment ocupa 5.500 ha, la major part de les 7.600 ha de regadiu. Els intents de revifar el conreu de la canya de sucre i del cànem fracassaren definitivament a la fi del segle XIX i al començament del XX. Al secà (634 ha), en regressió, l’ametller (100 ha) desplaçà els conreus tradicionals. La terra és dividida en parcel·les petites, més irregulars i reduïdes a l’horta vella, a l’E de la ciutat, que a l’horta nova o alta. El règim d’explotació és predominantment directe (97,5% de l’àrea conreada); els mitgers són poc nombrosos, i els contractes d’arrendament, en general, de curta durada i per a les verdures del mercat.
La pesca, localitzada al Grau de Castelló, barri marítim on fou construït, al començament del segle XX, el port de Castelló, té una importància considerable; disposa de dàrsena, molls i instal·lacions pròpies. El port pesquer de Castelló (10.000 tones desembarcades) és un dels més importants dels Països Catalans, amb 150 vaixells de pesca (la meitat d’arrossegament i l’altra meitat al cèrcol), amb uns 1.300 mariners. Les espècies més importants que hom pesca són la sardina i l’aladroc i, després, el seitó, el sorell, el pagell, el llucet, el moll, el rap, la boga, la mòllera, la tonyina, el pop, la sípia, la gamba. Hom n’exporta la producció, en gran part, a Barcelona, a València, a Madrid i a les ciutats basques, principalment. Hi ha indústria conservera i una bona llotja. La platja del Grau havia estat utilitzada ja a l’edat mitjana pel comerç marítim (garrofes, vi, cànem); la construcció del far de Castelló (1877), la del ferrocarril de via estreta d’Onda (centre de la indústria ceràmica) al Grau (dit la Panderola), que enllaçava, a Castelló, amb el ferrocarril de València a Barcelona, l’habilitació de la platja per a l’exportació (1885) i el desenvolupament del comerç marítim (10.000 tones de taronges exportades el 1890) precediren la inauguració de les obres del port (1891), que és format per dos grans dics, el de Llevant i el de Ponent, que inclouen la dàrsena pescadora i la comercial precedida per l’avantport. L’exportació de taronges dominà el tràfic comercial fins el 1924; amb el nou pes de les importacions el 1930 aconseguí un tràfic de 201.280 tones, quantitat que (a causa de la davallada motivada per la crisi mundial i pel crac del 1938, tot i la relativa recuperació posterior) no fou sobrepassada fins el 1965, gràcies a la industrialització, especialment de la zona portuària (6-7 milions de tones el 1992); l’exportació de taronges i de taulellets (des del 1958) ha estat àmpliament superada per les entrades i sortides directament relacionades amb les indústries petroquímiques (factoria de Petromed) i de fertilitzants, tot i que els petroliers no entren al port i treballen fora, a la Zona II. El ferrocarril de València a Barcelona arribà a Castelló el 1862. La indústria castellonenca ocupa el 25% dels treballadors del municipi, és quasi tota d’origen recent i va en ràpid expandiment: les indústries tradicionals de la comarca (ceràmica i tèxtil) han estat modernitzades amb la instal·lació de plantes noves; la ceràmica industrial per a la construcció ha tingut un desenvolupament espectacular amb la introducció de tècniques noves (serigrafia, forns italians), l’aportació de capitals italians (Marazzi) i americans (Ferroenamel) i l’impuls donat a l’exportació. La construcció mecànica i la indústria química (Fertibèria, Esso-Caprolactama) són sectors de desenvolupament recent. La instal·lació d’una refineria de petroli de l’empresa Petromed al Serrallo, al S del Grau, ha tingut fins ara una incidència marginal en l’economia castellonenca. Hi ha una central tèrmica, i un gasoducte per a la indústria ceràmica comarcal. El turisme s’hi ha desenvolupat gràcies a la transformació de la façana costanera entre el Grau de Castelló i les Vil·les de Benicàssim (nucli principal de l’anomenada, per la publicitat turística, Costa dels Tarongers o de la Tarongina), amb hotels, apartaments, urbanitzacions i l’aeroport de l’Aeroclub de Castelló; les millors platges són les del Serrallo i la del Pinar.
El nucli urbà comprèn més del 90% dels habitants, i el Grau, més del 6% (8.825 h [1991]). Com a resultat de la immigració, els darrers anys hi han sorgit nous barris, sense planificació: el Roser, Sant Agustí i Sant Marc, la Mare de Déu de Lorda (o de Lurdes), la carretera de l’Alcora, la carretera de Ribesalbes, el camí vell del Grau. La població disseminada es reparteix per masos i alqueries, desigualment distribuïts per les partides d’Almalafa, Censal, la Catalana, l’Estepar, Gumbau, Tacsida, Rafalafena, la Plana, Ramell, Canet, Antrilles, Coscollosa, el Bovalar, Marrades, Benadressa i la Magdalena, on hi ha el santuari de la Magdalena (el més important del municipi, juntament amb el de la Mare de Déu del Lledó) i l’antic seminari diocesà. El petit arxipèlag dels Columbrets —parc natural valencià des del 1988— pertany administrativament al municipi.
El 1357 hi havia 1.010 focs, que les epidèmies del segle XV feren baixar a 533 (1478). La insalubritat causada pels aiguamolls (paludisme) feu que la població no superés els 3.000 h fins al final del segle XVIII. L’expandiment dels regadius i la prosperitat econòmica motivada per la taronja feren accelerar el ritme de creixença al llarg del segle XIX: 20.000 h (1860), 30.000 h (1900). Des de l’inici del segle XX començà a fer-s’hi sentir la immigració procedent de les comarques de secà (el Maestrat i els Ports) i del Baix Aragó; a partir dels anys quaranta augmentà progressivament en nombre i en proporció la immigració procedent de la Manxa i d’Andalusia. L’evolució demogràfica d’ençà del 1970 ha confirmat Castelló com la quarta ciutat del País Valencià i com a centre aglutinador de les comarques del nord del país, les més pobres i endarrerides, afectades per una forta emigració cap a Catalunya. L’augment demogràfic —34,6% entre 1970 i 1981— es basà en una forta immigració andalusa, aragonesa í murciana i en l’èxode rural de les comarques interiors. Aquest dinamisme tingué l’origen en el desenvolupament industrial i, sobretot, en el desenvolupament dels serveis: administració, comerç, transport, sanitat i educació. Entre el 1981 i el 1991, Castelló augmentà a un ritme menor, concretament d’un 6%. Castelló confirma l’exemple d’Alacant i la tendència del País Valencià a aglutinar-se entorn de diversos centres. L’expansió de la ciutat s’ha localitzat de manera especial al NE (Rafalafena) i al Grau, al voltant de la zona industrial i portuària.
El 2011, la població era de 180.114 habitants. La segona meitat del segle XX estigué marcada per un fortíssim creixement demogràfic de la ciutat. En primer lloc, amb immigració interior, amb gent vinguda de pobles de la província de Castelló, però sobretot amb andalusos, aragonesos i manxecs. Aquest creixement sobtat de la població es produí sense cap planificació urbanística, causant el desenvolupament dels anomenats grups o nuclis de població dispersos pel terme al voltant de les principals vies d’entrada a la ciutat, entre camps, camins i polígons industrials. Al centre de la ciutat la manca de planificació urbanística comportà la demolició d’alguns monuments històrics i la construcció d’edificis alts en ple nucli antic. A final del segle XX, el fort impuls de la indústria en les comarques del voltant, sobretot la ceràmica i la construcció, causà un creixement demogràfic persistent. Un fet remarcable en el desenvolupament de Castelló ha estat la fundació de la Universitat Jaume I, que ha fet de motor del coneixement a les comarques del nord. Al principi del segle XXI la demanda de mà d’obra per a la indústria generà una nova onada immigratòria, en aquest cas procedent majoritàriament de Romania, els països del Magrib i l’Amèrica del Sud, que causà un nou repunt del creixement demogràfic.
La ciutat (144.346 h agl [2006], castellonencs o castelloners; 30 m alt.), vila fins el 1873, capital de la Plana Alta i de la província del seu mateix nom i, des del 1960, coseu del bisbat Sogorb-Castelló de la Plana i centre econòmic de la zona septentrional del País Valencià (regió de Castelló de la Plana), és al centre de la plana regada, a 5 km de la mar; comprèn un nucli originari, rectangular, traçat de nou al segle XIII, amb dos carrers longitudinals principals (el Major i el d’Enmig) i un de transversal (actual de Colom), d’W a E. Al punt d’intersecció hi ha la plaça Major, amb el campanar (1591-1604) exempt, el Fadrí, amb l’església major de Santa Maria, actual catedral (obra del començament del segle XV, destruïda en 1936-39 i en procés de restauració, poc afortunada), i la casa de la ciutat (obra de 1689-1716). A la fi del segle XVIII el governador Antonio Bermúdez de Castro feu enderrocar les muralles i aixecar-ne de noves (acabades ben entrat el segle XIX), les quals encloïen els antics ravals extramurs, que s’havien desenvolupat sobretot fora de les portes sud i nord, al llarg de les carreteres de València (raval de Sant Francesc) i de Barcelona (raval del Roser); vers la mar, a causa de les marjals, la ciutat no cresqué; les muralles noves, que seguien les rondes actuals del Millars i de la Magdalena i els carrers de la Trinitat, de Bermúdez de Castro i de Sant Roc, foren també enderrocades al final del segle XIX, i començà la tercera etapa d’expansió urbana, en direcció nord, migjorn i ponent: el Castelló de comerciants i camperols de la Restauració, del parc de Ribalta i del vell carrilet. El pla municipal del 1926, que preveia un desenvolupament harmònic i regular, només ha estat relativament respectat quant al traçat dels carrers: a partir del 1950 hom ha construït edificis de més de 10 (alguns de més de 20) pisos als antics carrers estrets, fet que anà acompanyat d’una manca de planificació eficaç i d’infraestructures adequades a l’expansió urbana. D’altra banda al fortíssim i sobtat creixement demogràfic de la segona meitat del segle XX no li correspongué cap mena de planificació urbanística, i d’aquesta manera es desenvoluparen nuclis de població dispersos al voltant de les principals vies d’entrada a la ciutat, entre camps, camins i polígons industrials. Al centre de la ciutat la manca de planificació urbanística comportà la demolició de monuments històrics i la construcció d’edificis alts en ple nucli antic.
La zona comercial i administrativa, que coincideix amb la zona de residència burgesa, ocupa el vell eix N-S, entre la nova plaça de Maria Agustina i la plaça de la Pau i la Porta del Sol. A la fi del segle XVIII fou construït el palau del Bisbe, com a residència temporal dels bisbes de Tortosa. Altres edificis religiosos són: el de Sant Agustí (1393), refet al segle XVIII i caserna des del 1835; el de les Caputxines (1693), on són conservats deu quadres de Zurbarán; el de Santa Clara (1540), que, traslladada la comunitat a Vila-real, esdevingué (1846) institut de segon ensenyament; el de Sant Vicent, dels dominicans (1579), esdevingut Casa de Beneficència el 1822; el de Sant Francesc (1431), origen del raval meridional, caserna després del 1835; les esglésies de la Sang i de Sant Miquel (originades al segle XVIII); el convent dels Caputxins (1608) fou arrasat durant la primera guerra Carlina. El Museu de Belles Arts, a l’edifici de la diputació provincial, conserva alguns retaules gòtics i pintures, entre d’altres, de Ribalta (el nucli més important procedeix de la cartoixa de Valldecrist). Castelló disposa d’un col·legi universitari, de dos instituts d’ensenyament mitjà, d’escoles de magisteri, industrial, de comerç i d’infermeres; hi ha hospital provincial, successor de l’hospital fundat el 1391. Les activitats culturals es desenvolupen a través de diverses institucions: la Casa de Cultura, la Biblioteca Municipal, la Biblioteca Provincial, l’Ateneu, la Societat Filharmònica, el Centre Excursionista de Castelló i la Societat Castellonenca de Cultura. La fundació, el 1991, de la Universitat Jaume I ha constituït un element nou en la configuració de la ciutat, que l’ha convertit en un pol d’atracció i de coneixement a les comarques del Nord del País Valencià. L’any 1999 hom hi inaugurà l’Espai d’Art Contemporani de Castelló, dedicat a la difusió de l’art contemporani. El Casino Antic i el Cercle Mercantil tenen una funció més aviat social i recreativa. Les associacions esportives hi tenen una vitalitat considerable. La premsa hi tingué una exuberància notable durant la segona meitat del segle XIX i primer terç del XX: El Imparcial, El Valenciano, El Radical, La Voz del Pueblo, El Centinela Liberal, El clamor de la Democracia, La Bandera Laica, El Regional, El Tradicionalista, El Obrero Católico, El Obrero Socialista, així com El Canari, El Verderol, El Marjaler, La Veu de la Regió, i altres publicacions poc o molt efímeres; les més difoses eren el Diario de Castellón, El Heraldo de Castellón i la Revista de Castellón. Avui hom hi publica el diari Mediterráneo, Castellón Diario, el Boletín de la Sociedad Castellonense de Cultura, bilingüe i erudit, i Al Vent, òrgan del grup Castellonenc d’Estudis.
Ja en època islàmica hi havia un castell i un petit nucli de població al collet de la Magdalena, al límit septentrional de la plana, on, d’altra banda, han estat trobats vestigis ibèrics (que hom ha volgut identificar, sense fonament, amb la Cartalias o Castàlia citada per Estrabó). Aquesta població (anomenada posteriorment Castelló Vell) fou conquerida per Jaume I el 1233; el 1251 el mateix rei n’autoritzà el trasllat al pla, a l’antic palmerar de Borriana (per això fou anomenada aleshores Castelló de Borriana), fet commemorat anualment en les festes de la Magdalena, les principals de la ciutat. El 1244 Castelló havia estat donada al monestir de Sant Vicent de la Roqueta, i el 1245, organitzat el seu govern en jurats i consellers; el 1287 passà al monestir de Poblet, de la jurisdicció del qual es redimiren els seus habitants. El 1332, però, Alfons III la donà, juntament amb altres poblacions valencianes, a l’infant Ferran, fill d’Elionor de Castella, cosa que fou revocada gràcies a l’enèrgica oposició dels jurats de València encapçalats per Vinatea; aquest fet motivà la convocatòria, per Pere III a Castelló, d’un parlament dels tres regnes de la corona el 1337, continuat després a Gandesa. Diversos privilegis i exempcions, atorgats des del 1251, atragueren progressivament pobladors, fins al punt que el 1335 esdevingué seu de la governació dellà Uixó (governació de Castelló de la Plana). Tot i els compromisos, el 1357 la vila fou de nou alienada per Pere III al comte Enric de Trastàmara; incorporada de nou a la corona el 1366, el 1368 el rei intentà de donar-la a l’infant Martí, que hi renuncià davant la resistència dels castellonencs. Durant les guerres de la Unió, Castelló s’alçà (1348) contra Pere III; el governador Pere Boïl assetjà i prengué la vila. Al moment del Compromís de Casp, Castelló prengué el partit del comte d’Urgell (a l’abril del 1412 les tropes del comte comandades per Ramon de Perellós derrotaren les de Ferran d’Antequera, que intentaven d’apoderar-se de la vila). Durant la guerra de les Germanies estigué en mans dels agermanats, però el 1521 fou atacada i vençuda per les tropes del duc de Sogorb Alfons d’Aragó. La depressió que les guerres i les epidèmies produïren a la vila fou superada a partir del segle XVI, que s’inicià una forta expansió demogràfica, agrícola i comercial (el 1510 Ferran II disposà la llibertat d’embarcament i desembarcament a la platja). L’expulsió dels moriscs (1609) l’afectà relativament poc (el 1602 hi havia només 21 focs dins el terme). La guerra de Successió representà per a Castelló la pèrdua de la seva organització municipal tradicional i la constitució (1708) del primer ajuntament sota la presidència del corregidor. Durant el segle XVIII la creixença de la vila anà lligada al conreu del cànem (80.000 roves anuals cap a la fi del segle), origen de la tradicional fabricació de sogues, i a la producció de seda (8.000 lliures a la mateixa època); al segle XIX aquesta prosperitat no desencadenà un procés d’industrialització, i la vila mantingué el seu caràcter agrícola, confirmat amb l’expansió del conreu de la taronja. El 19 de juliol de 1808, a l’inici de la guerra contra Napoleó, hi hagué un avalot en el qual fou assassinat el governador corregidor Pedro Lobo y Arjona, titllat d’afrancesat, avalot que fou sufocat des de València; les tropes del mariscal Suchet ocuparen la ciutat el 21 de setembre de 1811, i foren nomenades autoritats addictes als francesos. El liberalisme de la població fou la causa que el 1823 fos atacada pels reialistes i assetjada el 1837 i el 1874 pels carlins, i també, d’altra banda, la causa de l’arrelament popular dels partits republicans i radicals. El 1873, durant la revolució federalista, fou proclamat el cantó de Castelló. Els moviments vaguístics del 1917 i del 1919 repercutiren també a Castelló. Ha estat un dels nuclis més actius del nacionalisme al País Valencià. El 1932, convocada per la revista Taula, tingué lloc una assemblea d’escriptors valencians en la qual foren acceptades formalment les normes ortogràfiques de l’Institut d’Estudis Catalans. El 1933 hi fou fundada l’Esquerra Republicana del País Valencià. Durant la Guerra Civil de 1936-39 les forces antirepublicanes del general Antonio Aranda no entraren a la ciutat sinó després d’uns quants dies de durs combats (14 de juny de 1938). Després del franquisme i amb la restauració de la monarquia constitucional, l’Ajuntament estigué governat pel Partit Socialista del País Valencià fins el 1991, primer amb Antonio Tirado (1979-87) i després amb Daniel Gozalbo (1987-91). Des de llavors, és el Partido Popular el majoritari al consistori, on s’han succeït com a alcaldes José Luis Gimeno (1991-2005), Albert Fabra (2005-11), Alfons Bataller (2011-15) i, des del 2023 Begoña Carrasco, a excepció del període 2015-23 governat per la socialista Amparo Marco Gual.