Η γεωμορφολογία της Σαντορίνης είναι αποτέλεσμα ηφαιστειακής δράσης εκατοντάδων χιλιάδων ετών. Το νησί βρίσκεται επάνω στο ηφαιστειακό τόξο του Αιγαίου το οποίο αποτελείται από μια σειρά ανενεργών ή ενεργών ηφαιστείων και έχει μήκος περίπου 500 χλμ. και πλάτος 30-40 χλμ. Το τόξο εκτείνεται από τις ανατολικές ακτές της ηπειρωτικής Ελλάδας, περνάει από το κεντρικό Αιγαίο και καταλήγει στις δυτικές ακτές της Τουρκίας.
Η γεωλογία της Σαντορίνης παρουσιάζει μεγάλη ποικιλία και πλούτο. Προηφαιστειακά είναι τα ασβεστολιθικά στρώματα στον Προφήτη Ηλία, στον Μονόλιθο, στον Γαβρίλο και τα σχιστολιθικά πετρώματα στον Αθηνιό. Ηφαιστειακά είναι τα πυροκλαστικά, οι λάβες και το παχύ στρώμα της θηραϊκής γης, που αποτελεί το έδαφος του νησιού. Φτάνει στα πεδινά σε πάχος τα 40 μ., αλλά στα ορεινά έχει μειωθεί λόγω της διάβρωσης. Είναι γόνιμο και ευνοεί τις καλλιέργειες στις οποίες στηριζόταν η οικονομία του νησιού πριν από την ανάπτυξη του τουρισμού.
Στο ΝΑ τμήμα του νησιού βρίσκεται το βουνό του Προφήτη Ηλία με το ομώνυμο μοναστήρι. Η συνέχειά του είναι το Μέσα Βουνό, στο οποίο είναι κτισμένη η αρχαία Θήρα.
Το ανάγλυφο του εδάφους γίνεται πιο ήπιο στα ανατολικά, όπου βρίσκονται οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις που καταλήγουν στις παραλίες.
Βασικές καλλιέργειες από τους αρχαίους χρόνους μέχρι σήμερα είναι τα αμπέλια, τα δημητριακά (κυρίως κριθάρι), τα όσπρια, η φάβα και παλαιότερα το βαμβάκι.
Η Σαντορίνη είναι από τις πιο άνυδρες περιοχές του Αιγαίου, λόγω της έλλειψης υπόγειων πηγών και των πολύ λίγων βροχοπτώσεων. Το κλίμα είναι εύκρατο, οι θερμοκρασίες σχετικά υψηλές το χειμώνα, ενώ το καλοκαίρι τη ζέστη μετριάζουν τα μελτέμια. Την εποχή αυτή οι ομίχλες διατηρούν υγρή την ατμόσφαιρα, ενώ φυσούν αρκετές φορές νότιοι άνεμοι.