Остров вытянут меридионально от мыса Крильон на юге до мыса Елизаветы на севере. Длина 948 км, ширина от 26 км (перешеек Поясок) до 160 км (на широте с. Лесогорское), площадь 76,4 тыс. км2.
Рельеф острова составлен средневысотными горами, низкогорьями и низменными равнинами. Южная и центральная части острова характеризуются горным рельефом и состоят из двух меридионально ориентированных горных систем - Западно-Сахалинских (до 1327 м высотой - г. Онор) и Восточно-Сахалинских гор (до 1609 м высотой - г. Лопатина), разделенных продольной Тымь-Поронайской низменностью. Север острова (за исключением полуострова Шмидта) представляет собой пологую холмистую равнину.
Берега острова слабо изрезаны; крупные заливы - Анива и Терпения (широко открыты к югу) находятся соответственно в южной и средней части острова. В береговой линии выделяются два крупных залива и четыре полуострова.