千島列島は環太平洋火山帯の一部をなす火山列島であり、今でも多くの島が活発に火山活動を起こしている。これらの島々は北アメリカプレートの下に太平洋プレートがもぐりこんだ結果生じた成層火山の頂上にあたる。2006年（平成18年）3月分のNEWTONには詳細な図が書かれており、成層火山の頂上が北海道にぶつかったものが現在の知床半島とされる。
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プレートのもぐりこみにより、列島の200km東方沖に千島海溝ができている。地震も頻繁に起こり、2006年（平成18年）11月15日、近海でマグニチュード7.9の地震が発生した。（→千島列島沖地震 (2006年)）また、2007年（平成19年）1月13日にも、近海でマグニチュード8.2の地震が発生した。（→千島列島沖地震 (2007年)）
千島列島の気候は厳しく、風が強く非常に寒い冬が長く続く。夏は短く、霧がしばしば発生し、山には雪が残ることがある。年平均降水量は760mmから1000mmと多めで、ほとんどは雪である。
温帯と亜寒帯にまたがる列島内では植生も異なり、北部ではツンドラ様の植生が、南部では深い針葉樹の森が見られる。境目は択捉島と得撫島の間で、宮部金吾が唱えた分布境界線（宮部線）となる。
列島内の最高峰は最北端の島、阿頼度島の阿頼度山（親子場山、または阿頼度富士、ロシア名アライト山）で海抜は 2,339m。列島南部の国後島東端にある爺爺岳も 1,819mの高さを誇る。
島々の風景は、砂浜、岩の多い海岸、断崖絶壁、流れの速い渓谷と下流では広くなる川、森林と草原、山頂部の荒野やツンドラ、泥炭地、カルデラ湖などが形成されており、手付かずの自然が残る島が多い。土壌は一般的に肥沃で、火山灰などが周期的に流入することや、海岸部での鳥の糞の堆積などによるものである。しかし険しく不安定な斜面は頻繁に土砂崩れを起こし、新たな火山活動によって裸地が広がっている。