東沙島呈西北西至東南東走向，島形如馬蹄，東西長約2,800米，寬865米，陸地面積約1.74平方公里，內海(潟湖)面積約0.64平方公里，為珊瑚礁堆積而成。全島周圍十至十五浬為礁盤區。整個東沙群島海域面積廣達5,000平方公里，在南海諸島中算是大島之一。

東沙共有三個珊瑚環礁，即：東沙環礁、南衛灘環礁及北衛灘環礁，東沙島與南、北衛灘相距約80公里。東沙的的直徑大約有30公里，根據學者估計，要形成這麼大一座， 至少需要百萬年以上的時間。

環礁北面外緣礁相當寬廣，在退潮時可浮現水面，東沙島則位於西邊。

南衛灘及北衛灘為一連續淺灘，礁體呈橢圓形，沉沒水中，無島礁出露，乃一種沉水環礁。

東沙環礁則為典型環礁，洲、島（即東沙島）、礁和門四者全備。洲有“小沙洲”；暗礁（鏟） 有：東角、東北角、西北尖角、西南尖角及東南灣；門有兩處：北水道及南水道，島上內水即瀉湖。“門”即習稱之“龍口”，乃連通瀉湖與外海之水道。

瀉湖水淺，隨潮汐起落，平均深約1米，水多平靜，風浪不興，與環礁外之大涌大浪大不相同，潮汐時有泥沙向內淤積，近年更日漸變淺。此一潟湖在退潮時深不及1米，其出口處之寬度僅20米左右。湖底多為淤泥及有機殘屑所覆蓋，但水急之處仍為砂礫石所組成之底質。

東沙環礁水深0.6-17米，但以5米以下者為多，環礁近於圓形，半經約10公里，環礁內水域約300平方公里。

島上目前除了駐軍及海岸巡防署人員約200名外，短暫停留者多屬漁民、工程及研究人員。

島上建築有氣象觀測站,東光醫院、東沙圖書館、漁民服務站、衛星追蹤站,電廠,機場,東沙大王廟。