Ο τοξόσχημος συμπαγής ορεινός όγκος της με χαράδρες και απότομες πλαγιές, διατρέχει το νησί με κατεύθυνση από ΒΔ προς ΝΑ, δίνοντας στη Σαμοθράκη την ιδιομορφία της. Σχηματίζονται ωραίες ψηλές, επιβλητικές κορυφές: το Φεγγάρι, η πιο ψηλή κορυφή με υψόμετρο 1611 μ., γνωστό στην αρχαιότητα ως Σάος ή Σαώκη, ο Προφήτης Ηλίας, η Αγία Σοφία, ο Άγιος Γεώργιος, που έχουν ιδιαίτερα θέλγητρα για τους ορειβάτες.
Γεωλογικά η Σαμοθράκη αποτελείται κυρίως από γρανίτες και μαρμαρυγιακούς σχιστόλιθους, όμως η ποικιλία των πετρωμάτων είναι μεγάλη και πολλά έχουν ηφαιστειογενή προεύλευση. Ο μύθος του ηφαιστείου που έδρασε στα πανάρχαια χρόνια στο νησί είναι συνδεδεμένος με την λατρεία των Καβείρων από τα προϊστορικά χρόνια. Τα πετρώματα του νησιού σε συνδυασμό με την μορφολογία του συγκρατούν τα νερά της βροχής δημιουργώντας πολυάριθμα ρυάκια και μικρά ποτάμια όπου σχηματίζονται καταρράκτες και μικρές λιμνούλες, οι περίφημες ‘βάθρες’.
Τα εδάφη στη μεγαλύτερη έκταση του νησιού είναι αβαθή, άγονα και γυμνά. Τα δένδρα που κυριαρχούν είναι οι ελιές, οι βελανιδιές, οι καστανιές, τα πλατάνια και τα θαμνόδεντρα. Η αποψίλωση εκτενών δρυοδασών στο παρελθόν και η παρατεταμένη υπερβόσκηση, σε συνδυασμό με τις μεγάλες κλίσεις του ανάγλυφου είχαν σαν αποτέλεσμα την απογύμνωση του εδάφους, ακόμη και στις περιοχές που υπάρχει δενδροκάλυψη. Μεγάλο μέρος αυτών των δασών καλύπτεται σήμερα από σκληρόφυλλους θαμνώνες (αείφυλλα πλατύφυλλα της ευμεσογειακής ζώνης βλάστησης) και χορτολίβαδα. Επάνω από τα δασοόρια η βλάστηση που καλύπτει το έδαφος αποτελείται από ενδημικά και σπάνια είδη και χαρακτηριστικούς οικοτόπους.
Επιπλέον, η βιολογική δραστηριότητα του εδάφους είναι σχεδόν ανύπαρκτη, καθόσον τα νεκρά υλικά (φύλλα, καρποί, κλαδιά) παρασύρονται με τις βροχές. Μόνον στη πεδινή και παράκτια ζώνη (κάτω από 200μ. υψόμετρο), όπου βρίσκονται και οι αγροτικές καλλιέργειες, τα εδάφη χαρακτηρίζονται ως μέτρια αβαθή. Τρία κύρια ρέματα στις βόρειες κλιτύες της περιοχής σχηματίζουν καταρράκτες και λιμνούλες. Από γεωλογική άποψη η περιοχή ανήκει στη μάζα της Ροδόπης. Το κλίμα είναι μεσογειακό.