Le due isole sono di origine vulcanica e al loro centro hanno altopiani vulcanici dai quali numerosi corsi d'acqua scorrono fino al mare. Con una superficie di poco superiore a quella della città di New York, si crogiolano al sole della Bight of Biafra, a nord dell'equatore. Le foreste pluviali erano fitte in tutte due le isole fino a quando i portoghesi arrivarono e crearono le piantagioni di zucchero e cacao, ma ci sono tuttora zone di densa vegetazione locale. Più dell'80% della popolazione vive sull'isola di São Tomé, dove la foresta occupa ancora il 75% del territorio. La flora e la fauna sono simili a quelle della vicina Guinea Equatoriale, sul continente, anche se ci sono diverse specie endemiche. Le isole sono soggette a siccità ed erosione del terreno dovuta alla distruzione delle foreste.

Il clima è equatoriale. I mesi più asciutti e più freschi sono da giugno a settembre, con temperature intorno ai 29°C. Il mese più piovoso è marzo, durante il quale la pioggia cade monotonamente e le temperature raggiungono i 30°C circa. Ci sono anche diversi microclimi, specialmente sull'isola di São Tomé: a nord il clima è più secco, simile a quello della savana, e a sud piove molto di più, anche durante la stagione asciutta.