Quần đảo Hoàng Sa là một quần đảo san hô, phân bố rải rác trong phạm vi từ khoảng kinh tuyến 111⁰ Đông đến 113⁰ Đông; từ vĩ tuyến 15⁰45’Bắc đến 17⁰15’ Bắc, ngang với Huế và Đà Nẵng, phía ngoài cửa Vịnh Bắc Bộ, ở khu vực phía Bắc Biển Đông.

Quần đảo Hoàng Sa gồm hơn 37 đảo, đá, bãi cạn, chia làm hai nhóm: nhóm phía Đông có tên là nhóm An Vĩnh, gồm khoảng 12 đảo, đá, bãi cạn, trong đó có hai đảo lớn là Phú Lâm và Linh Côn, mỗi đảo rộng khoảng 1,5 km²; nhóm phía Tây gồm nhiều đảo xếp thành hình vòng cung nên còn gọi là nhóm Lưỡi Liềm, trong đó có các đảo Hoàng Sa (diện tích gần 1 km²), Quang Ảnh, Hữu Nhật, Quang Hòa, Duy Mộng, Chim Yến, Tri Tôn...

Quần đảo Hoàng Sa là một thế giới san hô với hơn 100 loài đã tạo thành một phần của vòng cung san hô ngầm dọc bờ biển Đông Nam của lục địa châu Á.

Hình thái địa hình các đảo trong quần đảo Hoàng Sa tương đối đơn giản nhưng mang đậm bản sắc của địa hình ám tiêu san hô vùng nhiệt đới. Đa số các đảo có độ cao dưới 10m, và có diện tích nhỏ hẹp dưới 1 km². Tổng diện tích phần nổi của tất cả các đảo thuộc quần đảo Hoàng Sa khoảng 10 km². Ngoài các đảo, còn có các cồn san hô, vành đai san hô bao bọc một vùng nước tạo thành một đầm nước giữa biển khơi, có cồn dài tới 30 km, rộng 10 km như cồn Cát Vàng.

Trên đảo Hoàng Sa còn có một trạm khí tượng được chính quyền bảo hộ Pháp xây dựng và hoạt động từ năm 1938, đến năm 1947 được Tổ chức Khí tượng thế giới (WVO) công nhận và đặt số hiệu 48860 trong mạng lưới khí tượng quốc tế. Nhiệt độ không khí ở vùng biển quần đảo Hoàng Sa có giá trị thấp nhất 22⁰ - 24⁰C trong tháng 1, tăng dần đạt cực đại 28,5⁰ - 29⁰C trong tháng 6, 7 và giảm từ từ tới 25⁰C vào tháng 12. Chế độ gió mùa vùng quần đảo Hoàng Sa phức tạp và thể hiện ảnh hưởng của địa hình lục địa Việt Nam và Trung Quốc. Lượng mưa trung bình hàng năm là 1.200 - 1.600 mm, thấp hơn nhiều so với lượng mưa ở quần đảo Trường Sa và các vùng khác trên đất liền. Mưa chủ yếu tập trung vào mùa hè (từ tháng 5 đến tháng 10), lượng mưa trung bình hàng tháng 100 - 200 mm, đạt 200 - 400 mm trong tháng 10. Lượng mưa trung bình trong mùa đông (từ tháng 11 đến tháng 4) 200 - 300 mm với lượng mưa hàng tháng 20 - 25 mm (tháng 1, 2, 3) và đạt đến 50 mm trong tháng 12 và tháng 4. Độ ẩm tương đối trung bình ở Hoàng Sa là 80 - 85% và hầu như không bị biến động nhiều theo mùa.

Thảm thực vật của quần đảo Hoàng Sa rất đa dạng. Có đảo cây cối um tùm nhưng có đảo chỉ có các cây nhỏ và cỏ dại. Thực vật phần lớn thuộc các loài có nguồn gốc ở miền duyên hải Việt Nam.

Hải sản ở quần đảo Hoàng Sa có nhiều loài quý như: tôm hùm, hải sâm, đồi mồi, vích, ốc tai voi,... và loại rau câu quý hiếm, rất có giá trị trên thị trường quốc tế.