早古生代时（距今5.7亿年前～4.4亿年前），雷州半岛与海南岛地区是一个沉降带。加里东造山运动使雷琼地区上升成陆，形成以东北方向为主的一系列断裂褶皱带，使早古生代沉积的地层发生了质变。到晚古生代（距今4.4亿年前～2.3亿年前），海南岛陆块相对稳定。但印支运动又促使岩浆活动强烈，形成海南岛广泛分布的花岗岩体，构成了山地，也筑成了海南岛的基础。后来的燕山运动和喜马拉雅运动又使这个花岗岩穹窿发生强烈的断裂，形成几条大的东西向断裂带，使断裂以南大约三分之二的区域抬升，称为海南构造隆起，且1亿多年以来一直在上升；断裂以北发生下陷，称为雷琼凹陷。然而，在第四纪以前（250万年前），海南岛和雷州半岛还连在一起，在地质构造上属华夏地块的延伸部分。到了大约更新世（距今250万年前～1.5万年前）中期，由于火山活动，雷州半岛和海南岛之间发生了断陷，变成了琼州海峡，才使海南岛与大陆分开。以后海平面多次升降又使海南岛与大陆多次分离和相连，到第四纪冰期结束，海平面大幅度上升，才形成琼州海峡和海南岛的形态。
地质构造运动引起的海南构造隆起是海南岛中部不断抬升，逐渐形成了海南岛的地貌特征；山地位于中央，丘陵、台地、平原依次环绕四周。海南岛平均海拔120米。500米以上的山地占全岛的25%，100米以上的平原、台地占三分之二。
也有学者认为,海南岛是2400万年前开始从中国北部湾分离旋转漂移出去的，海南岛从原始位置逆时针旋转了约150度达到当前位置，仍在左旋向东南漂移中。
海南岛地质构造形态在空间分布上，以各种不同的方向、形迹和性质的构造组合，形成东西向构造、南北向构造、北东向构造、北西向构造等主要构造体系，成为陆地的主要构造格局，控制着岛陆沉积建造、岩浆活动、成矿作用及晚近时期的山川地势的展布。
海南岛纵深地质构造表现为地幔隆起背景上的凹陷区，幔凹中心在琼中至乐东一带，幔凹深度为30多公里。由于岛内地壳结构和深部构造的差异，在地质构造、沉积建造和岩浆活动等方面，都呈现出许多不同的特征。
海南岩石有火成岩（岩浆岩）、水成岩（沉积岩）、变质岩3大类，遍布全省各地。
海南岛四周低平，中间高耸，呈穹隆山地形，以五指山、鹦哥岭为隆起核心，向外围逐级下降，由山地、丘陵、台地、平原构成环形层状地貌，梯级结构明显。
海南岛地貌以山地和丘陵为主，占全岛面积的38.7％。山地主要分布在岛中部偏南地区，山地中散布着丘陵性盆地。丘陵主要分布在岛内陆和西北、西南部等地区。在山地丘陵周围，广泛分布着宽窄不一的台地和阶地，占全岛总面积的49.5％。环岛多为滨海平原，占全岛总面积的11.2％。海岸主要为火山玄武岩台地的海蚀堆积海岸、由溺谷演变而成的小港湾或堆积地貌海岸、沙堤围绕的海积阶地海岸。海岸生态以热带红树林海岸和珊瑚礁海岸为特点。
山地
海南岛的山地位于岛中部偏南，北界为光雅、儋州、仁兴、屯昌、乌坡、龙塘，南界为长茅、田独、保亭、光坡，东界至东升、军田、兴隆，西界达昌江、大田、尖峰等，面积8639平方公里，占全岛面积的25.1％。中部山地在海拔500米以上，是海南地貌的骨架，以中山（800米以上）为主，面积6067.6平方公里，占山地的7成强；低山（500～800米）只有2571.4平方公里，占近3成。山体主要由花岗岩组成，山形高峻而圆浑。山脉大体分为3列，均东北—西南走向：东列为五指山山脉，主要山峰有自马岭、五指山、吊罗山、七指岭、马咀岭等；中列为黎母岭山脉，主要山峰有黎母岭、鹦哥岭、猴猕岭、尖峰岭等；西列为雅加大岭山脉，主要山峰有雅加大岭、霸王岭和仙婆岭等。
丘陵盆地
海南环山丘陵带面积不大，仅占海南岛面积的13.1％。丘陵地中也有较高的齐顶面或和缓的山顶面，常见的为450米、350米、250米三级。丘陵之间的盆地，如白沙盆地、屯昌盆地、乐东盆地和琼海石壁盆地等，光、热、水、土及各种生态条件优越，是农作物和经济林木生长的良好环境。海拔350米以下的低丘、谷地、盆地内，有充足雨量和河水的滋润，土质很好，又具备防风条件，非常适宜于发展天然橡胶和热带经济作物，因而环山丘陵带成为海南橡胶热作分布带，也是中国最大的橡胶热作基地。
台地阶地
海南岛的台地在各类地貌中所占比例最大，约占全岛总面积的三分之一。宽广的台地主要分布在琼北地区，可分为海拔20米和40～50米2级，逐渐向海倾斜。
台地地貌类型多样化，有玄武岩台地、花岗岩台地、红岩台地、变质岩台地，其中玄武岩台地面积最大，达4159平方公里，占台地总面积近四成。在玄武岩台地上，分布着典型的火山熔岩地貌，是由于地质史上新生代晚第三纪至第四纪的新构造运动时期，雷琼地区火山活动频繁，并多次沿断裂带发生大规模的岩浆喷发熔岩流动，形成海南岛北部遍布着成群的古火山锥及大面积覆盖的玄武岩。火山锥有101个，喷火口有110多个，最典型的是琼山西部的石山、永兴一带数十座火山口和遍地流岩。玄武岩台地是火山喷发的熔岩在地表流动、层叠而成的低平台地，俗称“石地”，如琼山羊山地区、儋州木棠、定安龙塘等地都有大片这种地貌，土壤厚度小，但土质肥沃。熔岩地貌还形成熔岩隧道，如琼山石山地区已发现“仙人洞”、“卧龙洞”等隧道11条，一般宽10多米，高2～4米，最长的1200多米，总长度达3574米，成为当地的自然奇观。还有不少台地是由海蚀作用所成，如乐东黎族自治县九所东北的石门岭下花岗岩石蛋地貌中，保留着明显的海蚀地形，如菌状石、石柱、石詹、石锅、蜂巢状海穴群、额状崖等。
沿海平原
海南岛沿海平原带是海南岛地貌环带结构的最外一环，面积7800多平方公里，由海岸平原、潟湖平原、三角洲平原3种地貌组成。
海岸平原，由多条沙堤和于涸低洼潟湖沼泽相间组成，地势起伏，高处是沙堤，土质沙性，生长耐旱植物；低处是灰黑色沼泽地，土质较粘。如乐东莺歌海一带，西岸形成南北走向沙堤群，南岸却形成东西走向沙堤，使莺歌海沙堤群由2组不同走向的沙堤合成，呈三角形岬角突入海中，沙堤内成为一潟湖洼地。
潟湖平原，在海岸沙堤后方，以东海岸的文昌、琼海、万宁等沿海最典型。海南最大的潟湖万宁小海，是海湾被一大沙堤隔开而形成的，但尚未干涸成洼地，故成典型的大潟湖。其他潟湖区多被风沙堆积填干而成为平原，其表层为沙土层，往下为粘土层、黑色潟湖粘土层，以及部分泥炭土。
三角洲平原，在江河出口处由泥沙堆积而成，但海南岛山林茂密，河流含沙量不大，绝大多数江河出口沉积物堆叠不厚，如昌化江、万泉河、陵水河等河口都仅停留在三角洲的雏形或河口平原状态，典型的三角洲只有位于海口市的南渡江口三角洲，还有儋州西北濒临北部湾的北门河三角洲。
南渡江三角洲是海南最大的三角洲，是由南渡江口的古溺谷湾，经千万年淤积含有贝类的细沙泥等海相、河相沉积物而成。
海岸
海南省海岸线总长1927.6公里，其中海南岛海岸线长约1618公里， （新数据为1823）海岸线系数为0.0477。
海南岛热带海岸地貌主要有砂堤堆积、海滩岩、红树林海岸、珊瑚礁海岸、港湾地貌5类。
红色砂堤堆积，海南地处热带，海岸沙滩和砂堤中的铁质氧化充分，使砂堤成为赤红色堆积（年代属晚更新世）。如陵水新村淌湖和黎安港之间的红色砂堤，由凤凰山脚延伸下来，披覆在白色沙滩上，并胶结成坚硬的红砂岩。乐东九所到昌江昌化一带海岸和文昌的海岸都有这种红色砂堤地貌。在正对着东北季风的琼东北海岸，从文昌木兰头到抱虎港的砂堤上，海岸风沙堆积日益加高，发育出风成砂丘岩层，砂堤长达30多公里，最高点昌洒湖塘坡达58米多，其高大壮观为全国所罕见。
沙滩上的海滩岩，在海滩上从滩面到海面，由于阳光强烈照射，水中钙质饱和析出，把砂子胶结成一层坚硬的粗砂岩和砾岩，厚度一般在2米以下。这种钙质胶结砂层即海滩岩，岩层向海倾斜，被风浪打碎后形成岩石堆或巨大礁块，是鲍鱼栖息的好地方。若海岸被冲蚀后退，海滩岩层能保存在离岸的浅水中，例如乐东县莺歌海岸外两三百米处的礁石。
热带红树林海岸，红树林海岸是特殊的热带生物海岸地貌，分布于港湾内静风环境的泥滩上，风浪大的沙滩不能生长红树林。较发育的红树林海岸主要分布在琼山东寨港，文昌铺前港和清澜港内部、冯家港南北，临高新盈港内，儋州新英港内和澄迈马袅港等处。此外，在海口、琼海、三亚、陵水等市县也有小片分布。海南红树林种类多，树型高，生长快，数量和面积皆为全国之冠，被誉为“海上森林”、“海岸卫士”。
环岛珊瑚礁海岸，珊瑚礁是热带浅水造礁珊瑚虫群体骨骼和其他石灰质生物遗体长期堆积而成，也属典型的热带生物海岸地貌。珊瑚一般生长在海水透明、无泥、有浪的浅水域，能在海岸上连成一片礁盘（平台）地形，实际上是一个巨大的石灰质生物群体，在长期不断的生长过程中，形成特殊的珊瑚礁海岸类型，厚度不过10米左右，下面即是沙泥层或基岩，属全新世海侵相。珊瑚岸礁有保护海岸不受波浪侵蚀的作用，又是鱼类水产品集中生长的地点，故礁区生产力比河口区大，平均可达4000克／平方米·年。海南岛浅水造礁珊瑚种类多达110多种，环岛海岸环境极适宜其生长，因而珊瑚礁特别发育，生长带可达2000米宽，位居全国第一。
沙质海岸，主要分布于沙坝潟湖和三角洲平原沿岸。在抱虎角～大花角岸段，沙质海岸占绝大部分，约250公里岸段为沙质潟湖海岸，集中分布在抱虎角至铜鼓咀、博鳌至大花角两个岸段。在大花角～梅山岸段，除岩石海岸外，其余基本上为沙质海岸，总长近300公里。梅山～昌化江口岸段，沙质海岸以沙堤为主，总长近 200公里，几乎连续分布于整个岸段。昌化江口～抱虎角岸段，沙质海岸线总长约340公里，其中昌化江口～洋浦岸段长约100公里，儋州光村附近长约20公里，临高角附近长约25公里，澄迈县马村至文昌县抱虎角岸段长约170公里，其余零星岸段沙质海岸长约25公里。
海湾
海南岛四面环海，海岸线曲折绵长（达1584.6公里）（新数据为1823公里），分布大小天然港湾78个（有大小港湾68个之说），较大的港湾有北部的秀英港（又称海口港）、海口新港、东水港、铺前港、马村港，海南湾、海口湾、澄迈湾、后水湾、白沙门等；南部的榆林港、三亚港、铁炉港、新村港、黎安港，三亚湾、崖州湾、琊龙湾、海棠湾、陵水湾、南湾、香水湾等，东部的清澜港、博鳌港、乌场港、潭门港，石梅湾、日月湾、南燕湾、大花角等；西部的八所港、洋浦港、白马井港、感城港、岭头港，洋浦湾、北黎湾、棋子湾等，港湾资源丰富，环境条件优越。其中海口港、三亚港、洋浦港、八所港和清澜港为海南五大港口。
土壤分布
海南岛土壤的水平地带性不明显，地带性土壤为砖红壤。因海南岛地势中高周低，无论成土条件，或是土壤分布，均以中南部山地为中心向四周递变。土壤分布受地形影响极为明显，全岛土壤分布成若干个同心圆，围绕中部山地依次分布：最外环圈是围绕全岛近代滨海阶地分布的滨海沙土，其海拔高度仅在1米以内；次外环圈为地带性土壤——砖红壤，主要分布在阶地、台地和海拔在350米（或400米）以下的丘陵。由于岛北部沿海有较宽的阶地、台地和丘陵，因而，岛北部土壤分布的环带较宽。岛南部因山地位于正中而偏南，甚至直逼海岸，土壤的环带较窄。岛中南部山地为黄壤，其海拔在400米以上。
植被分布
海南的水热条件优越，植被的组成种类丰富多样，属热带及热带岛屿植被类型。据调查，海南岛的植物有259个科，1300多属，4200种，乔木800多种，其中热带种类占83%。1995年全省森林面积达163.7万公顷，其中天然林83.9万公顷，人工林约82.7万公顷，森林覆盖率已达48.7%。
自然植被
海南的自然植被有热带季雨林、热带雨林、常绿阔叶林、红树林、针叶林、灌丛和草原等类型。
（一）热带季雨林
热带季雨林分布于周期性干、湿季交替的地区，旱季时或多或少是落叶的，而在湿季是常绿的，海南的热带季雨林又分为常绿季雨林和落叶季雨林两种类型。
常绿季雨林，在原生林中近似于热带雨林，但种类外貌又比雨林逊色，主要分布于海拔750米以下的低山、丘陵和台地地区，尤以东南部丘陵低山为典型。主要珍贵木材有：青皮、荔枝、蝴蝶树、莺歌木、油楠、黄桐等。
落叶季雨林，主要分布于海南的西部和南部海拔500米以下的丘陵、台地上，群落比较低矮。常见的植被有厚皮树、麻栎、白格、陆国、平脉稠等。
（二）热带雨林
海南岛的热带雨林实际上是沟谷雨林和山地雨林。沟谷雨林分布于海拔900米以下的山谷地区，如尖峰岭、吊罗山和卡法岭等山地，主要树种有：鸡毛松、蝴蝶树、母生、绿楠、海南杨桐等。山地雨林，多分布于海拔750~1200米之间，在尖峰岭、猕猴岭、马域岭和吊罗山等地，面积较大，且多为原生性森林，主要树种有：陆均松、稠木、坡垒、子京、花梨、油丹等。沟谷雨林和山地雨林是海南岛的重要水源林，同时又是热带的珍贵用材林和药材生产基地。
（三）常绿阔叶林
常绿阔叶林分布于海南岛的山地上，是一种山地垂直分布的类型，一般分布于海拔1000米以上的山地，可分为山地常绿阔叶林和山顶矮林。前者的树种有：陆均松、海南杨桐、海南五针松、栲、黄背栎；后者的树种有：栎子稠、五裂木、厚皮香、栲、冬青、海南杜鹃等。山地常绿阔叶林和山顶矮林也是海南岛重要的水源林之一。
（四）红树林
海南的红树林分为海滩红树林和海岸半红树林两种类型。海滩红树林分布于淤泥深厚且较闭塞的海湾或河口，高潮线以下的地带，分布面积较大的是琼山东寨港，文昌铺前港、清澜港，儋州新英港和陵水新村港等地。树种有文红树、木榄、红海兰、海桑及木果楝。海岸半红树林分布于高潮线以上的海岸地带，常与红树林相连呈条带状分布，面积很小。主要树种有：黄槿、海棠果、海芒果、水椰、草海桐、水莞花等。
（五）针叶林
海南岛的针叶林纯林，面积不大，只见于丘陵和台地上的南亚松和东部滨海台地沙土上的竹柏林，现状植被中仅有霸王岭和琼中县的松涛等地，保留有天然纯林，树种以海南松为主。在海南的自然植被中，还有灌丛、刺灌丛和草原等类型。
人工植被
人工植被是人为经济活动对土地利用的产物。海南岛是我国热带经济作物发展的主要基地，栽培作物种类丰富，栽培群落多样，并以热带性为主。主要树种有木麻黄、桉树，组成沿海防护林，1995年全省防护林约299万公顷，主要经济林有橡胶、香茅、胡椒、芒果、香蕉等。1995年全省热带作物种植面积达442万公顷，占土地总面积的125%,其中橡胶种植面积有368万公顷。农作物主要有：水稻、番薯、木薯、花生和甘蔗等。1995年全省水稻播种面积为394万公顷，占土地总面积的11.1%。
森林分布
在海南岛，森林资源分布于中部、西南部和东南部山区，即集中于尖峰岭、霸王岭、吊罗山和琼中县的五指山、鹦哥岭、黎母山、什寒山、白马岭、嘉积岭，白沙县的南溪岭、南高岭、斧头岭，乐东县的佳阳岭、抱由岭、卡法岭，保亭县的好梧岭、生毛岭、四方岭、南林岭，三亚市的抱龙岭、雅亮岭，东方县的马鞍岭、猕猴岭，昌江县的保梅岭，万宁市的牛土岭、铜铁岭、六连岭、东岭、尖岭，琼海市的会山，儋州市的鹿母湾，屯昌县的黄竹岭以及澄迈县的仁兴等山区。
海南岛最重要的热带森林区有5个：①五指山热带原始森林区；②霸王岭；③尖峰岭林区；④吊罗山林区；⑤黎母山林区。这些林区，森林资源丰富，珍贵树种多。五大林区均为水源林和水土保持林，对调节气候、涵养水源、防御台风等起着重要作用。此外，海南岛的人工林主要分布于环岛沿海地带和农垦局的各个国营农场。
海南岛属热带季风海洋性气候。基本特征为：四季不分明，夏无酷热，冬无严寒，气温年较差小，年平均气温高；干季、雨季明显，冬春干旱，夏秋多雨，多热带气旋；光、热、水资源丰富，风、旱、寒等气候灾害频繁。年平均气温22.5-25.60C，年日照时数1780-2600小时，太阳总辐射量4500-5800兆焦耳/平方米，年降水量1500-2500毫米（西部沿海约1000毫米）。
日照
海南岛位于北回归线以南，终年太阳高度角大。夏至前后有两次太阳位于天顶，正午时，太阳高度角在84°45′～86°45′；即使在冬至日，正午时，太阳高度角也在46°05′～48°05′。各地夏至与冬至的昼长相差很小，因而，太阳辐射能相当丰富，日照充足，年太阳辐射总量为4600～5800兆焦耳/平方米，年日照时数在1793～2590小时.为热带气候的形成奠定了基础。海南岛位于东亚季风区，受季风影响较为明显。东风带系统和西风带系统对其均有影响。
气温
海南各地的年平均气温为22.5～25.6℃，以中部的琼中最低，南部的三亚最高。等温线向南弯曲呈弧线分布，从中部山区向四周沿海递增，23℃等温线在中部山区闭合。由于海洋的调节，海南气温年变差普遍较小，多数地区为8～10℃，三亚最小（7.6℃）。普遍比中国大陆地区低5～10℃。
降水
海南各地的年平均雨量为923～2459毫米。等雨量线呈环状分布，中、东部多，西部少；山区丘陵多，沿海平原少；多雨中心位于万宁西侧至琼中一带，少雨区位于东方市沿海。多雨中心的琼中县，年平均雨量为2458.5毫米，年最多雨量为3759.0毫米（1978年），年最少雨量为1398.1毫米（1959年）。少雨区的东方县，年平均雨量为922.7毫米，年最多雨量为1528.8毫米（1980年），年最少雨量为275.4毫米（1969年）。琼中与东方直线距离不足150公里，雨量相差竟如此悬殊。
海南岛降水的季节分配很不均匀，有明显的多雨季和少雨季。每年5~10月是多雨季，总降雨量1500毫米左右，占全年降雨量的70%~90%，雨源主要有锋面雨、热雷雨和台风雨；每年11月至翌年4月为少雨季，仅占全年降雨量的10%~30%，少雨季干旱常常发生。
