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El municipio tiene una población de 16 621 habitantes lo que representa un decrecimiento promedio de -0.32% anual en el período 2010-2020 sobre la base de los 17 159 habitantes registrados en el censo anterior. Al año 2020 la densidad poblacional era de 44,77 hab/km².
En 2010 estaba clasificado como un municipio de grado bajo de vulnerabilidad social, con el 14.55% de su población en situación de pobreza extrema.12
La población de Penjamillo estaba mayoritariamente alfabetizada (14.23% de personas mayores de 15 años analfabetas al año 2010) con un grado de escolaridad promedio en torno a los 5.5 años. Solo el 0.13% de los habitantes del municipio se reconocía como indígena.
El 95.42% de la población profesaba la religión católica y el 2.82% adhería a las iglesias protestantes, Evangélicas y Bíblicas.
Su superficie es de 37.47 Km2 y representa un 0.63 por ciento del total del Estado.
Su relieve lo constituyen la depresión del Lerma y el sistema volcánico transversal. Destaca su relieve plano y los cerros, Prieto, de la Gavia, Penjamillo, Guándaro y el Metate.
Su hidrografía la constituye el río Lerma y los arroyos Grande y de la Cebolla, manantiales de agua termal Puruándiro y presas de la Luz y de los Fresos.
Su clima es templado con lluvias en verano. Tiene una precipitación pluvial anual de 900.0 milímetros y temperaturas que oscilan de 10.6 a 28.8º centígrados.
En el municipio predomina la pradera, con nopal, pastizales y matorrales diversos; el bosque mixto con pino, encino y aile. Su fauna se conforma por: mapache, comadreja, armadillo, ardilla, torcaza y pato.
La superficie forestal es ocupada por matorrales de distintas especies. Cuenta con minas de arena y grava volcánica en Tirimacuaro a 4 Kms. de la Cabecera Municipal. Mantos acuíferos que se explotan para agua potable y riego.
Los suelos del municipio datan de períodos cenozoico, terciario y mioceno y corresponden principalmente a los del tipo chernozem. Su uso es primordialmente agrícola y en menor proporción ganadero.