Đảo Hải Nam dài 155 kilômét (96 mi) và rộng 169 km (105 mi). Hải Nam tách biệt với bán đảo Lôi Châu tại đại lục Trung Quốc qua eo biển Quỳnh Châu, đảo Hải Nam là hòn đảo lớn nhất nằm dưới quyền kiểm soát của Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa. Diện tích của đảo Hải Nam là 32.900 km2 (12.700 sq mi), chiếm 99,7% diện tích toàn tỉnh) và gần tương đương với Đồng bằng sông Cửu Long của Việt Nam. Ở phía tây đảo Hải Nam là vịnh Bắc Bộ. Hải Nam là tỉnh cực nam của Trung Quốc, nằm ở phía nam của chí tuyến bắc, lượng nhiệt và lượng mưa phong phú.

Ngũ Chỉ Sơn (1.840 m)[6] là núi cao nhất Hải Nam. Các đỉnh núi cao trên 1.500 mét khác tại Hải Nam là Anh Ca lĩnh (鹦哥岭), Nga Tông lĩnh (俄鬃岭), Hầu Mi lĩnh (猴猕岭), Nhã Gia đại lĩnh (雅加大岭), Điếu La sơn (吊罗山). Có thể phân các đồi núi tại Hải Nam thành ba dãy núi lớn:

• Dãy núi Ngũ Chỉ Sơn, ở trung bộ của đảo, đỉnh chính là Ngũ Chỉ Sơn cao 1840 mét.
• Dãy núi Anh Ca Lĩnh, ở tây bắc của Ngũ Chỉ Sơn, đỉnh chính là Anh Chủy phong (鸚嘴峰) cao 1811,6 mét.
• Dãy núi Nhã Gia Đại Lĩnh, ở tây bộ của đảo, đỉnh chính cao 1519,1 mét.

Hải Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm. Biến đổi nhiệt độ trong năm dưới 15 °C (27 °F). Các tháng lạnh nhất là tháng 1 và tháng 2, khi nhiệt độ không khí giảm xuống 16 đến 21 °C (61 đến 70 °F); các tháng nóng nhất là tháng 7 và 8, nhiệt độ trung bình khi đó là 25 đến 29 °C (77 đến 84 °F). Ngoại trừ các khu vực đồi núi ở trung tâm hòn đảo, nhiệt độ trung bình ngày ở Hải Nam đều trên 10 °C (50 °F). Mùa hè ở phía bắc hòn đảo có thời tiết nóng, với nhiệt độ có thể cao hơn 35 °C (95 °F) vào 20 ngày trong năm. Lượng mưa trung bình hàng năm là 1.500 đến 2.000 milimét (59 đến 79 in) và có thể còn lên đến 2.400 milimét (94 in) ở các khu vực trung tâm và phía đông, và chỉ đạt 900 milimét (35 in) tại các khu vực ven biển tây nam. Phần phía đông của đảo Hải Nam nằm trên đường đi của các cơn bão nhiệt đới, và 70% lượng mưa hàng năm có bắt nguồn từ các cơn bão hay mưa trong mùa hè. Các trận lũ lớn xảy ra là do ảnh hưởng của bão nhiệt đới và chúng có thể gây ra nhiều khó khăn cho cư dân địa phương.

Khoảng tháng 1 và tháng 2, tại các vùng ven biển trên đảo Hải Nam, đặc biệt là ở phần phía bắc, xảy ra hiện tượng sương mù dày đặc. Điều này là do không khí lạnh mùa đông tiếp xúc với nước biển ấm. Sương mù diễn ra cả ngày lẫn đêm, và được phân bổ đều. Tầm nhìn có thể giảm xuống 50 mét trong nhiều ngày tại một thời điểm. Trong giai đoạn này, cư dân địa phương thường đóng cửa sổ để chống hiện tượng nồm.

Hầu hết sông tại Hải Nam bắt nguồn từ khu vực trung tâm đảo và chảy theo các hướng khác nhau. Việc bốc hơi vào mùa khô ở khu vực gần biển khiến mực nước các sông giảm đáng kể. Có rất ít hồ tự nhiên tại Hải Nam. Hồ chứa nhân tạo được biết đến nhiều nhất tại Hải Nam là hồ chứa Tùng Đào (松涛水库) ở trung-bắc của đảo.

Có một số hòn đảo nhỏ nằm gần bờ của đảo lớn Hải Nam như:

• Đảo Đại Châu (大洲岛), nằm cách bờ biển Vạn Ninh 5 km.
• Đảo Hải Điện (海甸岛), nằm ở cửa sông Nam Độ, phía bắc của Hải Khẩu.
• Đảo Tân Phụ (新埠岛), nằm ở cửa sông Nam Độ, phía bắc của Hải Khẩu, ở phía đông đảo Hải Điện.
• Đảo Phượng Hoàng (凤凰岛), một đảo nghỉ dưỡng nhân tạo được xây dựng trên vịnh Tam Á.
• Đảo Ngô Chi Châu (蜈支洲岛), nằm tại vịnh Hải Đường (海棠湾).
• Quần đảo Thất Châu (七洲列岛), nằm ở đông bộ Văn Xương.

Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa cũng tuyên bố chủ quyền với một số hòn đảo nhỏ trên Biển Đông, quy thuộc chúng vào thành phố cấp địa khu Tam Sa của tỉnh Hải Nam.[7] Chính phủ Trung Quốc quy định địa giới thành phố Tam Sa trải dài 900 km theo chiều đông-tây, 1800 km theo chiều bắc-nam, diện tích vùng biển khoảng 2 triệu km². Tam Sa là thành phố có diện tích đất liền nhỏ nhất, tổng diện tích lớn nhất và có dân số ít nhất tại Trung Quốc.[8] Các đảo này nằm cách xa hàng trăm km về phía nam của đảo Hải Nam, do vậy có điều kiện khí hậu cũng như hệ động, thực vật khác nhau. Trong đó, quần đảo Hoàng Sa (Trung Quốc gọi là Tây Sa) do Trung Quốc kiểm soát với đảo Phú Lâm (Vĩnh Hưng) là lớn nhất, đảo này cũng là trung tâm hành chính của thành phố Tam Sa. Ở quần đảo Trường Sa (Trung Quốc gọi là Nam Sa), Trung Quốc cũng kiểm soát một vài thực thể địa lý. Ngoài ra, Trung Quốc cũng quy bãi Macclesfield và bãi cạn Scarborough thuộc phạm vi quản lý của thành phố Tam Sa. Trung Quốc cũng xem bãi ngầm James (Tăng Mẫu) ở gần bờ biển đảo Borneo của Malaysia là cực nam của lãnh thổ nước mình.[9]