洞头是大约在7000年前的一次海侵始与大陆分离，形成现在的洞头列岛。

洞头县属海岛丘陵地形。最高点海拔391.80米，山脉大体为东西走向。无典型的河谷地貌。岛岸多天然港湾和滩涂。各岛之间有不少宜于通航的水道。

洞头县由103个岛屿和259个礁组成。各岛均呈东西长形走向。这些岛礁星罗棋布在长约37公里、宽约30公里的瓯江口外。自北而南大致有三群：北群，以大门岛为主，共28个岛屿和52个礁；中群，主岛是状元岙岛和霓屿岛，有20个岛屿和48个礁；南群，以洞头列岛为中心，共有55个岛屿，159个礁。

洞头县东濒东海，南与瑞安市的北麂、北龙乡隔海相望，西与龙湾区的永强、灵昆隔海相对，西北距温州市区约53公里，北同乐清市、玉环县隔海相邻。全县总面积约892.277平方公里：其中，陆域面积约100.277平方公里，海域内水面积792平方公里，海岸线总长约331公里。洞头渔场，地理优越，总面积约4810平方公里，是各种海洋鱼、虾索铒、产卵、繁殖的良好场所。鱼类资源丰富，能捕到的鱼类有300多种。

洞头县土壤可分为4类。红壤类约110000亩；潮土类约850亩；盐土类约60000亩；水稻土类约2000亩。

洞头县的气候具有温和湿润、四季分明、气温年月差较小、冬暖夏凉的特点。年平均气温为17.3℃；绝对最低气温为-4.1℃，绝对最高温为35.7℃。年无霜期达350天。雨量充沛，年平均降雨量为1215.6毫米。对洞头县影响较严重的自然灾害是台风和干旱。强台风的袭击给洞头人民的生命财产造成了严重威胁；旱灾也影响着洞头的生产和人民生活。