Santorini er i all vesentlighet det som gjenstår etter en meget stor vulkansk eksplosjon som utslettet dens tidligste bosetning på en tidligere enkeltstående øy, og samtidig dannet det nåværende geologiske krateret. En meget stor sentral, rektangulær lagune som måler 12 ganger 7 km er omgitt av 300 meter høye og bratte klipper på tre sider. Hovedøya skråner nedover mot Egeerhavet. På den fjerde siden er lagunen adskilt fra havet av en annen og langt mindre øy ved navn Therasia; lagunen er knyttet til havet på to steder, i nordvest og i sørøst. Dybden på krateret, som er 400 meter, gjør det mulig for alle skip å ankre opp hvor som helst i den beskyttende viken. Øyas hovedhavn er Athinias. Hovedstaden er Fira, som klorer seg fast på toppen av klippen med utsyn over lagunen. Det vulkanske fjellet som i dag gjenstår fra tidligere utbrudd består blant annet av mineraler som olivin og en liten andel av hornblende.