Bien que non habité de façon permanente, l'atoll a connu des occupations temporaires militaires et scientifiques. Il est aujourd'hui géré comme une réserve naturelle par le U.S. Fish and Wildlife Service. L'isolement extrême de Palmyra en fait un laboratoire unique pour l'étude des écosystèmes insulaires tropicaux vierges et des dynamiques récifales naturelles.  

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Carte de l'atoll Palmyra. 
Source : The World Factbook.

Palmyra se compose principalement de trois masses terrestres principales : Cooper Island, Kaula Island et Sand Island, entourées d'un récif corallien continu percé de passes. Le système de navigation interne est limité à quelques chenaux naturels et artificiels aménagés lors de la Seconde Guerre mondiale. Les vestiges de cette période, notamment des pistes d'aviation, demeurent visibles sur certaines îles. 

Le terrain est plat, avec des altitudes ne dépassant pas deux mètres au-dessus du niveau de la mer, ce qui le rend vulnérable à la montée des eaux et à l'érosion côtière. L'hydrologie terrestre est dominée par des nappes phréatiques d'eau douce flottant sur une lentille d'eau salée, mais leur qualité reste variable et fragile.

Le lagon intérieur, subdivisé en deux grandes sections (West Lagoon et East Lagoon), est partiellement navigable, avec une profondeur atteignant parfois plus de 50 mètres. Les récifs sont actifs biologiquement et abritent une diversité marine remarquable, avec des coraux massifs, des poissons tropicaux, des requins, et d'autres espèces endémiques. 

Le climat équatorial de l'atoll assure une forte humidité, des précipitations fréquentes (plus de 4500 mm par an) et une végétation luxuriante, dominée par des cocotiers, des arbres à pain, des pandanus, et une canopée de Pisonia grandis.

Histoire.
Bien que les Polynésiens aient peuplé de nombreuses îles du Pacifique, il n'existe aucune preuve archéologique démontrant une présence humaine ancienne sur Palmyra, probablement en raison de son isolement extrême et de son manque d'eau douce.

La première découverte enregistrée de l'atoll remonte au 7 novembre 1798, lorsqu'il fut aperçu par le capitaine américain Edmund Fanning à bord du Betsey, lors d'un voyage de commerce entre les États-Unis et l'Asie. Mais c'est en 1802 que le capitaine Sawle du navire Palmyra le redécouvrit et lui donna son nom, après que son bateau ait été pris dans une violente tempête près des récifs de l'atoll.

Durant le XIX^e siècle, Palmyra fut revendiquée par le Royaume d'Hawaii en 1862. Lorsque les États-Unis annexèrent Hawaii en 1898, Palmyra fut inclus dans le territoire annexé. Toutefois, un acte du Congrès en 1959, lors de l'admission d'Hawaii comme État américain, exclut expressément Palmyra, le maintenant comme un territoire américain non incorporé, administré par le gouvernement fédéral.

En 1911, un citoyen hawaïen du nom de Henry Ernest Cooper acheta l'atoll à la couronne hawaïenne dans un but privé. Ses descendants gardèrent la propriété de la majorité des terres jusqu'à leur revente à The Nature Conservancy en 2000, qui administra ensuite l'atoll conjointement avec le U.S. Fish and Wildlife Service, dans le cadre du Palmyra Atoll National Wildlife Refuge, créé en 2001.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, Palmyra prit une importance stratégique pour les États-Unis. L'atoll fut occupé par la marine américaine dès 1941, après l'attaque de Pearl Harbor, qui accéléra son aménagement en base militaire. Des infrastructures importantes furent construites, notamment des pistes d'atterrissage, un port, des réservoirs de carburant et des installations radar. Jusqu'à 1945, il servit de point de ravitaillement et de poste de surveillance dans le Pacifique central. Après la guerre, l'atoll fut abandonné par l'armée, laissant derrière elle de nombreuses structures et déchets qui marquent encore le paysage.

L'atoll est également connu pour une affaire judiciaire célèbre : le meurtre de Mac et Eleanor Graham, un couple de navigateurs qui disparut en 1974 près de Palmyra. Le voilier Sea Wind et leur présence sur l'atoll attirèrent l'attention, et plus tard, un autre navigateur, Duane "Buck" Walker, fut accusé et condamné pour leur meurtre, un crime relaté dans le livre And the Sea Will Tell de Vincent Bugliosi et Bruce Henderson.

À partir des années 1980 et surtout après l'acquisition par The Nature Conservancy, Palmyra devint un site clé pour la recherche scientifique sur les écosystèmes tropicaux préservés. Des programmes écologiques et de restauration furent engagés, notamment l'éradication d'espèces invasives comme les rats et les cocotiers introduits, afin de restaurer les habitats naturels des oiseaux marins et des espèces endémiques. L'atoll est désormais protégé en tant que réserve naturelle, interdit à la population générale sauf autorisation spéciale à des fins de recherche ou de gestion.

En 2009, les eaux entourant l'atoll furent intégrées à l'immense Pacific Remote Islands Marine National Monument, élargissant ainsi la protection légale de ses écosystèmes marins exceptionnels.