Vân Đồn là một quần đảo vòng quanh phía Đông và Đông Bắc vịnh Bái Tử Long, nhưng lại nằm ở phía Đông và Đông Nam của tỉnh Quảng Ninh. Nó gồm 600 hòn đảo lớn nhỏ. Trong tổng số 600 hòn đảo thuộc huyện thì có hơn 20 đảo có người ở

Đảo lớn nhất Cái Bầu, rộng 17.212 ha, trước có tên là Kế Bào, ở phía Tây Bắc huyện nằm kề cận đất liền lục địa, cách đất liền bởi lạch biển Cửa Ông và sông Voi Lớn. Trong địa phận xã Vạn Yên còn có đảo Chàng Ngo cũng tương đối lớn.

Huyện lỵ là thị trấn Cái Rồng, nằm trên đảo Cái Bầu, cách thành phố Hạ Long khoảng 50 km, cách Cửa Ông 7 km (theo đường tỉnh lộ 334 qua cầu Vân Đồn hoặc phà Tài Xá).

Tuyến đảo Vân Hải, nằm ở rìa phía Đông Nam của huyện, gồm các đảo lớn như: Trà Bàn, Cao Lô, Quan Lạn, Đông Chén, Thẻ Vàng, Ngọc Vừng, Cảnh Tước, … và một loạt các đảo nhỏ khác, thành bức bình phong che chắn ngoài khơi vịnh Bái Tử Long. Diện tích đất đai xã Bản Sen chiếm nửa già diện của đảo Trà Bản, đảo lớn thứ hai trong huyện, cùng với đảo Đông Chén và các đảo nhỏ lân cận.

Huyện Vân Đồn có các phía Tây Bắc giáp vùng biển huyện Tiên Yên và Đông Bắc giáp vùng biển huyện Đầm Hà, phía Tây giáp Thành phố Cẩm Phả, ranh giới với các huyện thị trên là lạch biển Cửa Ông và sông Voi Lớn, phía đông giáp vùng biển huyện Cô Tô, phía Tây Nam giáp vịnh Hạ Long, thành phố Hạ Long, và vùng biển Cát Bà thuộc Thành phố Hải Phòng, phía Nam là vùng biển ngoài khơi vịnh Bắc Bộ.

Huyện Vân Đồn có diện tích tự nhiên 551,3 km² [2]. Các đảo đều có địa hình núi đá vôi, thường chỉ cao 200 ÷ 300 m so với mặt biển, có nhiều hang động Karst. Cũng giống như tất cả các đảo trong vịnh Bắc Bộ các đảo của huyện Vân Đồn vốn trước kia là các đỉnh núi của phần thềm lục địa, ở vị trí Tây Bắc vịnh Bắc bộ, phần kéo dài của dãy núi Đông Triều. Sau thời kỳ biển tiến, hình thành vịnh Bắc Bộ, các đỉnh núi này còn sót lại, nằm nổi trên mặt biển thành các đảo độc lập thuộc hai vùng của vịnh Bắc Bộ là vịnh Bái Tử Long và vịnh Hạ Long. Các đảo thuộc huyện Vân Đồn chỉ là một phần trong quần đảo Tây Bắc vịnh Bắc Bộ. Các ngọn núi trên các đảo của huyện tiêu biểu có:

• Núi Nàng Tiên ở đảo Trà Bản, trên địa phận xã Bản Sen, cao 450 m;
• Núi Vạn Hoa ở đảo Cái Bầu cao 397 m.

Do địa hình là quần đảo chủ yếu là các đảo nhỏ, lại là núi đá vôi, nên trong toàn bộ diện tích tự nhiên của huyện, diện tích đất liền không lớn, chủ yếu là diện tích mặt biển. Huyện đảo Vân Đồn có 68% diện tích đất tự nhiên trên các đảo là rừng và đất rừng. Trên các đảo không có sông ngòi lớn mà chỉ có vài con suối trên những đảo lớn.

Người dân địa phương thường gọi các eo biển giữa các đảo với nhau và với đất liền là sông như: sông Voi Lớn nằm giữa đảo Cái Bầu với đất liền, sông Mang ở đảo Quan Lạn. Trên địa bàn huyện có hai hồ nhỏ là hồ Vồng Tre và hồ Mắt Rồng.

Lượng mưa bình quân hàng năm ở đây khoảng trên 2000 mm/năm.