Η Αλόννησος είναι το τρίτο σε μέγεθος νησί των Σποράδων. Ο κύριος όγκος της Αλοννήσου αποτελείται από ασβεστόλιθους, στο νοτιοδυτικό όμως τμήμα του νησιού παρατηρούνται λιμναίες αποθέσεις της Νεοτέρας Τριτογενούς, οι οποίες καλύπτονται από ασβεστόλιθο, πάνω στον οποίο συχνά επικάθονται κροκαλοπαγή πετρώματα, καλυπτόμενα από ερυθρωπές μάργες του Ποντίου. Η διαπίστωση αυτή εξηγεί την παρουσία παλαιολιθικών σταθμών κατά μήκος μιας πεδινής λωρίδας της Αλοννήσου και άφθονων θηραμάτων.
Μορφολογικά η νήσος διακρίνεται στη βόρεια ορεινή και νότια πεδινή ζώνη. Κυριότερες κορυφές είναι τα υψώματα Γελαδάρα (456 μ.) και Κουβούλι (475 μ.), τα οποία μαζί με εκείνα της Σκοπέλου αποτελούν ένα συνεχές ορεινό τόξο. Στο νότιο μέρος, που είναι πεδινό, βρίσκονται και οι οικισμοί, στις δε άγριες και βραχώδεις ακτές του υπάρχουν σπήλαια που φωλιάζουν φώκιες και αγριοπερίστερα. Επίσης πάνω στη νήσο και στις γύρω νησίδες εντοπίζονται αγριοκάτσικα όμοια με τα λεγόμενα «κρι-κρι» της Κρήτης, της Αντιμήλου και της Σύμης.
Η Αλόννησος αποτελεί έναν από τους ωραιότερους βιότοπους στην Ελλάδα. Χάρη στο Εθνικό Θαλάσσιο Πάρκο Σποράδων, που λειτουργεί στο βόρειο άκρο της νήσου, χαίρει εκτεταμένης περιβαλλοντικής προστασίας.