A Ilha do Porto Santo, com 12km de comprimento na direção NE-SW e 6km de largura máxima, na direção N-S, apresenta uma morfologia bastante arrasada e suave, atingindo a sua cota máxima a 517m no Pico do Facho.

Encontra-se rodeada por seis ilhéus, que correspondem ao prolongamento das suas maiores saliências, aos quais se associam duas baixas perfazendo uma área de 2,1km²: Ilhéu de Baixo ou da Cal (179m), Ilhéu de Cima ou do Farol ou dos Dragoeiros (121m), Ilhéu de Ferro (115m), Ilhéu da Fonte da Areia (79m), Ilhéu das Cenouras (109m), Ilhéu de Fora (100m), Baixa do Meio e Baixa dos Barbeiros.

Na ilha, sobressaem duas zonas de relevo acidentado, uma mais imponente, a NE, e outra menos expressiva, a SW, separadas por uma plataforma deprimida, aplanada e basculada para SE. No sector NE, surgem o Pico do Castelo (437m), o Pico da Juliana (447m), o Pico da Gandaia (499m) e o Pico do Facho (517m), quatro formas de relevo, separados de forma muito nítida a partir de 150m de altitude; e, entre o referido maciço e a costa virada a E, dominam outras três formas de relevo, o Pico do Maçarico (285m), o Pico do Concelho (324m) e o Pico Branco (450m).

O sector SW é ocupado por três elevações principais, destacadas acima da cota de 100m: o Cabeço do Zimbralinho (183m), o Pico do Espigão (270m) e o Pico de Ana Ferreira (283m). Entre estes sectores, o relevo é suave, geralmente de cotas que não ultrapassam 150m e que decrescem desde a costa norte até à costa sul, entre a Ponta da Calheta e o Sítio do Penedo, formando a praia de areia fina com uma extensão de cerca de 9km, que define a baía do Porto Santo. A WNW surge um outro sector constituído pelo Cabeço das Canelinhas (176m) e cabeço de Bárbara Gomes (227m). A altitude média na ilha é de 112,5m, sendo mais baixa nos ilhéus, 77,8m.

Mais de 85% da ilha encontra-se abaixo de 200m de altitude e cerca de 40% da ilha a uma altitude inferior a 50m. A maior parte da área (54%) situa-se entre 50m e 200m de altitude, o que corresponde a cerca de 23km².

A linha de costa é bastante assimétrica. É muito recortada e alcantilada a oriente, norte e ocidente, com arribas talhadas em rochas vulcânicas ou sedimentares consolidadas e evidenciando praias encaixadas de calhau rolado. É nas áreas de arribas a N que a erosão é mais acentuada, seguindo-se as zonas que abrangem a continuação dessas arribas e junto aos principais picos, bem como nas arribas entre o porto e a zona leste da ilha e a Serra de Dentro.

O litoral virado a sudeste é baixo e arenoso, formando uma ampla baía constituída por praia e campo dunar associado com cerca de 7km de extensão, cuja água balnear é de excelente qualidade. Em redor da ilha existe uma plataforma significativa de águas pouco profundas marcadas pela presença de dois dos principais ilhéus existentes: o Ilhéu de Baixo, localizado a sul da Ponta da Calheta e o Ilhéu de Cima, a este da Ponta da Galé, aos quais se associam o Ilhéu da Fonte da Areia, o Ilhéu das Cenouras, o Ilhéu de Fora, a Baixa do Meio e a Baixa dos Barbeiros.