La Sardegna ha la forma allungata di un rettangolo orientato nel senso dei meridiani, con le ampie insenature dei golfi dell'Asinara a nord e di Cagliari a sud; per tale sua forma, simile all'impronta di un piede umano, l'isola ebbe dagli antichi Greci i nomi di Ichnusa (da ìchnos, orma) e Sandaliotis. L'isola, bagnata dal mar Tirreno a est e a sud, dal mar di Sardegna a ovest, è separata dalla Corsica dalle Bocche di Bonifacio. È costituita da uno zoccolo antico, dell'era primaria, ricoperto qua e là da terreni secondari e terziari e, a ovest, da imponenti accumulazioni vulcaniche. La superficie è nel complesso prevalentemente montuosa, nonostante la lieve altitudine media del rilievo (364 m), con accentuato carattere di asperità, sia nei massicci montuosi, sia negli altipiani, dagli orli scoscesi. La zona montuosa orientale è occupata da un massiccio antico, scistoso e granitico, ridotto a penepiano e successivamente fratturato e sottoposto a movimenti tettonici, che gli diedero l'attuale configurazione; le direttrici del rilievo sono orientate da NE a SO (Limbara, 1.362 m; monte Albo, 1.127 m; monti di Alà, 1.076 m; catene del Goceano e del Marghine, 1.259 m nel monte Rasu) e culminano, al centro, nel massiccio del Gennargentu (punta La Marmora, 1.834 m, massima elevazione dell'isola). Geologicamente più varia e strutturalmente più complessa è la zona occidentale, in cui si distinguono altipiani vulcanici estendentisi dal golfo dell'Asinara a NE di Oristano; l'apparato vulcanico del monte Ferru, a nord di Oristano, caratterizzato da pendici basaltiche e trachitiche; la collinosa penisola della Nurra, a ovest di Sassari, costituita da rocce scistose primarie; l'ampia depressione tettonica del Campidano, colmata da sedimenti eocenici e pleistocenici, costituente un'ampia pianura alluvionale che si allunga tra Oristano e Cagliari; all'estremità sudoccidentale, a SO del Campidano, si trova uno dei più antichi massicci d'Italia, costituito dal nucleo roccioso cambriano dell'Iglesiente, rotto da faglie e ricco di giacimenti minerari (monte Linas, 1.236 m; monte Caravius, nel Sulcis, 1.116 m).

La costa, che ha uno sviluppo di 1.896,8 km (comprese le isole minori), è quasi rettilinea sul versante tirrenico; molto frastagliata nella parte settentrionale e nordorientale; si presenta generalmente alta e rocciosa, benché discreto sviluppo abbiano anche i tratti bassi e sabbiosi, in corrispondenza di pianure litoranee, orlati spesso da stagni costieri (attrezzati a peschiere o utilizzati come saline). Oltre ai golfi di Cagliari e dell'Asinara, insenature notevoli sono, nella costa occidentale, il golfo di Alghero e quelli di Oristano e di Palmas; sulla costa orientale i golfi di Orosei e degli Aranci.

Il clima, temperato, è caratterizzato da precipitazioni assai limitate (700 mm in media), con massimi in novembre-dicembre e febbraio-marzo; estati conseguentemente calde e asciutte, di lunga durata (da quattro a cinque mesi). La temperatura, mite lungo le coste (media invernale: 10°/11°; estiva: 23°/24°), si fa sempre più continentale con l'aumentare dell'altitudine (nelle località montane, la media invernale è di 6°; quella estiva, di 22°). L'idrografia dell'isola riflette chiaramente tali condizioni climatiche: i fiumi della Sardegna hanno un periodo di piena invernale e portata minima nei mesi estivi; il regime è quindi torrentizio, ma attualmente quasi tutti sono stati imbrigliati da sbarramenti artificiali, che hanno creato vasti laghi-serbatoi, utilizzati per la produzione di energia elettrica, per l'irrigazione delle zone a coltura e per l'alimentazione di acquedotti: lago Omodeo (Tirso), laghi del Coghinas; laghi del Flumendosa, del Mulargia, del Cuga. Unico lago naturale dell'isola è il Baratz, nella Nurra. I fiumi principali sono: il Tirso (150 km), il Coghinas, il Flumendosa (122 km; con un bacino di 1.775 km²), il Flumini Mannu (Flumini Mannu di Samassi), il Cixerri, il Cedrino, il Posada, il Temo. La vegetazione della Sardegna è quella tipica mediterranea. Diffusa è la macchia costituita da olivastri, oleandri, lauro, corbezzoli, filliree, ginepri, ecc. In alcune zone costiere si trovano le palme nane, utilizzate anche industrialmente, e alcune graminacee e piante basse legnose, tra le quali il lentisco, l'asfodelo (sfruttato dall'artigianato locale), il rosmarino; i boschi, quasi interamente distrutti dall'uomo, sono formati da lecci, roveri, tassi, agrifogli, castagni, noci, olmi, salici, pini e, soprattutto, da querce da sughero. Più interessante è la fauna, che presenta alcune specie animali mancanti nella fauna continentale.