Quần đảo Hoàng Sa là một tập hợp trên 30 đảo san hô, cồn cát, ám tiêu (rạn) san hô nói chung (trong đó có nhiều ám tiêu san hô vòng hay còn gọi là rạn vòng) và bãi ngầm thuộc biển Đông, ở vào khoảng một phần ba quãng đường từ miền Trung Việt Nam đến phía bắc Philippines. Quần đảo trải dài từ 15°43′10" đến 17°06′53" Bắc và từ 111°11′12" đến 112°53′20" Đông, có bốn điểm cực bắc-nam-tây-đông lần lượt tại đá Bắc, bãi Ốc Tai Voi, đảo Tri Tôn và bãi Gò Nổi. Độ dài đường bờ biển đạt 518 km. Điểm cao nhất của quần đảo là một vị trí trên đảo Đá với cao độ 14 m (hay 15,2 m). Vùng biển Hoàng Sa trong biển Đông nằm trong vùng "xích đạo từ".[15][16]

Về khoảng cách đến đất liền, quần đảo Hoàng Sa nằm gần Việt Nam hơn. Cụ thể, khoảng cách từ đảo Tri Tôn (15°47'B 111°12'Đ) tới đảo Lý Sơn (15°22'B 109°07'Đ) là 121,1 hải lý (224,3 km). Nếu lấy toạ độ của cù lao Ré (tên cũ của Lý Sơn) là 15°23,1'B 109°09,0'Đ từ bản tuyên cáo đường cơ sở của nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam (ngày 12 tháng 11 năm 1982) thì khoảng cách đến bờ Lý Sơn thu ngắn lại dưới 121 hải lý. Ngoài ra, khoảng cách từ đảo Tri Tôn này đến mũi Ba Làng An (15°14'B 108°56'Đ) thuộc đất liền Việt Nam là 134,6 hải lý (249,3 km). Trong khi đó, khoảng cách từ đảo Hoàng Sa (đảo thuộc Quần đảo Hoàng Sa gần Trung Quốc nhất) đến Lăng Thủy giác (tiếng Trung: 陵水角; bính âm: Língshuǐ jiǎo) thuộc đảo Hải Nam của Trung Quốc là 142,5 hải lý (263,9 km). Khoảng cách từ đảo Hoàng Sa tới đất liền lục địa Trung Quốc tối thiểu là 235 hải lý. Nếu Trung Quốc dùng rạn đá ngầm (đá Bắc) làm chuẩn để đo đến bờ đảo Hải Nam tại Lăng Thủy giác thì khoảng cách là 111,9 hải lý (207,2 km), nhưng do đá ngầm không có giá trị như đảo trong việc chuẩn định ranh giới nên lý lẽ này không thuyết phục.[16]

Phân nhóm

Quần đảo Hoàng Sa được chia làm hai nhóm đảo là nhóm đảo An Vĩnh và nhóm đảo Lưỡi Liềm. Có tài liệu chia quần đảo làm ba phần, trong đó ngoài hai nhóm trên thì còn có một nhóm nữa gọi là nhóm Linh Côn.

Nhóm An Vĩnh

Nhóm đảo An Vĩnh (tiếng Anh: Amphitrite Group; tiếng Trung: 宣德群岛, Hán-Việt: Tuyên Đức quần đảo) bao gồm các thực thể địa lý ở phía đông của quần đảo (theo cách chia thứ hai: nhóm An Vĩnh ở phía đông bắc của quần đảo, nhóm Linh Côn ở phía đông và đông nam của quần đảo). Nhóm này bao gồm đảo Bắc, đảo Cây (đảo Cù Mộc), đảo Trung (đảo Giữa), đảo Đá, đảo Linh Côn, Đảo Nam, đảo Phú Lâm, đá Bông Bay, cồn cát Bắc, cồn cát Nam, cồn cát Tây, cồn cát Trung, hòn Tháp, đá Trương Nghĩa, bãi Bình Sơn, bãi Châu Nhai, bãi Gò Nổi, bãi La Mác (phần kéo dài phía nam của bãi ngầm chứa đảo Linh Côn)[17], bãi Quảng Nghĩa, bãi Thủy Tề, bãi Ốc Tai Voi.

Theo Lịch triều hiến chương loại chí của Phan Huy Chú, An Vĩnh là tên một xã vào thời chúa Nguyễn (Đàng Trong), thuộc huyện Bình Dương (tức huyện Bình Sơn) phủ Tư Nghĩa trấn Quảng Nam (Tư Nghĩa tức phủ Hòa Nghĩa, đến thời nhà Nguyễn thì trở thành tỉnh Quảng Ngãi).[18] Sách Đại Nam thực lục (tiền biên, quyển 10) ghi chép về xã này như sau:

Ngoài biển xã An Vĩnh, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi có hơn 100 cồn cát... chiều dài kéo dài không biết tới mấy ngàn dặm, tục gọi là Vạn lý Hoàng Sa châu... Hồi quốc sơ đầu triều Nguyễn đặt đội Hoàng Sa gồm 70 người lấy dân xã An Vĩnh sung vào, hàng năm cứ đến tháng ba cưỡi thuyền ra đảo, ba đêm thì tới nơi...

— Quốc sử quán (triều Nguyễn)

Tên quốc tế của nhóm đảo là Amphitrite. Tên này là đặt theo tên một chiếc tàu Pháp trên đường đưa các giáo sĩ châu Âu sang Viễn Đông, gặp nạn rồi đắm ở vùng Hoàng Sa vào cuối thế kỷ 17.[19]

Nhóm Lưỡi Liềm

Nhóm đảo Lưỡi Liềm (tiếng Anh: Crescent Group; tiếng Trung: 永乐群岛, Hán-Việt: Vĩnh Lạc quần đảo) bao gồm các thực thể địa lý ở phía tây nam của quần đảo. Nhóm này còn được gọi là nhóm Trăng Khuyết hay nhóm Nguyệt Thiềm. Nhóm Lưỡi Liềm bao gồm đảo Ba Ba, đảo Bạch Quy, đảo Duy Mộng, đảo Hoàng Sa, đảo Hữu Nhật, đảo Lưỡi Liềm (là bãi đá trên có đảo Duy Mộng), đảo Ốc Hoa, đảo Quang Ảnh, đảo Quang Hòa, đảo Tri Tôn, đá Bắc, đá Chim Én (Yến), đá Hải Sâm, đá Lồi, đá Sơn Kỳ, đá Trà Tây, bãi Đèn Pha (là bãi đá trên có đảo Hoàng Sa[20]), bãi Ngự Bình (là bãi ngầm nằm giữa đá Hải Sâm và cặp đảo Quang Hòa), bãi Xà Cừ,...

Khí tượng

Nhờ nằm giữa biển Đông nên quần đảo Hoàng Sa có khí hậu điều hòa, không quá lạnh về mùa đông, không quá nóng về mùa hè nếu so với những vùng đất cùng vĩ độ trong lục địa. Mưa ngoài biển qua nhanh, ở Hoàng Sa không có mùa nào ảm đạm kéo dài, buổi sáng cũng ít khi có sương mù. Lượng mưa trung bình trong năm là 1.170 mm. Tháng 10 có 17 ngày mưa / 228 mm và là tháng mưa nhiều nhất. Không khí Biển Đông tương đối ẩm thấp hơn những vùng biển khác trên thế giới. Ở cả Hoàng Sa lẫn Trường Sa, độ ẩm đều cao, ít khi nào độ ẩm xuống dưới 80%. Trung bình vào tháng 6, độ ẩm ở Hoàng Sa suýt soát 85%.

Bão Biển Đông là bão nhiệt đới theo mùa, thường xảy ra những lúc giao mùa, nhất là từ tháng 6 đến tháng 8. Gió mạnh đến 90 gút. Bão giảm đi từ tháng 9 nhưng cũng vẫn còn đến tháng 1. Tuy vậy, vào giữa mùa gió Đông-Bắc, bão làm biển trở nên động dữ dội hơn và kéo dài trong nhiều ngày.

Khi bão phát xuất từ đảo Luzon đi ngang Hoàng Sa thì binh sĩ Việt Nam Cộng hòa đóng trên đảo thấy các triệu chứng như sau: Trời oi, khí áp tụt xuống rất nhanh. Trên bầu trời xuất hiện những mây cao tầng bay nhanh như bó lông (cirrus panachés). Vài giờ sau bầu trời bị che phủ bởi một lớp sương mù mây rất mỏng (cirro status), mặt trời chung quanh có quầng, rồi dần dần bầu trời trắng nhạt. Sau đó đến lượt những mây "quyển tầng" thấp có hình vẩy cá (cirro cumulus). Rồi đến một lớp mây "quyển tích" đen hình như tảng đe phát triển rất nhanh hình đe dày lên cao lối 3.000m (altostatus), "tằng tích" [Cumulus N...], tất cả trở nên đen, u ám; mưa bắt đầu rơi, gió thổi, khí áp xuống nhanh. Trần mây thấp dần xuống (100m hay 50m), mây bay nhanh, gió thổi mạnh từng cơn, bão đã tới... Cường độ gió bão có thể lối 50 gút đến 90 gút. Khi sấm sét đã xuất hiện thì có thể coi như cơn bão đã qua...