Die Inselgruppe besteht aus 21 separaten Landflächen mit einer Gesamtfläche von 26 km². Die Hauptinsel, die den Namen des Archipels trägt, ist zugleich die größte Insel und die einzige, die bewohnt ist. Ihre Fläche beträgt 17 km². Der Morro do Pico, die höchste Erhebung der Insel, misst 321 m.
Fernando de Noronha hat viele natürliche Wasserbecken. Wichtigstes Korallenvorkommen ist die Montastrea cavernosa. Bekannt sind die Inseln auch für ihre reichen Bestände an Delfinen und Meeresschildkröten. In der Baia dos Golfinhos befindet sich die weltweit größte Ansammlung an Delfinen.
Dort wurden bereits über 1.000 Spinnerdelfine gezählt. Trotz touristischer Nutzung gibt es strenge Naturschutzgesetze, etwa das Verbot, die Schildkröten zu berühren, und ein Angelverbot. Wegen der großen Artenvielfalt gelten die Gewässer um die Insel als eines der besten Tauchgebiete Brasiliens.
