Остров Онекотан по своей форме напоминает треугольник: его основание лежит в виде дуги на юге, которая вытянута в ту же сторону. Протяженность острова с юго-запада на северо-восток составляет 42,5 километра, на юге ширина примерно 16,7 километра, а на севере – 11 километров. Остров имеет площадь в 315 км2.
Остров Онекотан состоит из трех групп вулканических вершин, которые соединены между собой низинами. Самой величественной является южная группа, имеющая конусообразную вершину Блакистон (MountBlakyston, пик Креницына, Какусэкизан, Куроисй) высотой 1328 метров. Она слегка сдвинута на запад и окружена вершинами пониже. По некоторым данным, этот вулканический массив сходен с морфологической структурой вулкана Везувий. Окружающие вершину Блакистон горы, представляют собой разрушенную сомму, склоны которой имеют достаточное количество паразитических конусов.
В средней группе вулканических вершин наивысшей точкой считается вершина Энцио (Дом, Куполообразная) высотой 707 метров. Она возвышается над куполообразными горами и короткими кряжами, которые отделены продольными низинами и замкнуты с помощью котловин.
Над северо-западной частью острова Онекотан дымится пик Немо, высота которого составляет 1019 метров. Вокруг него расположились беспорядочные нагромождения вершин, уходящие к северо-восточной оконечности острова.
Наивысшие вершины находятся на западном побережье, поэтому эта часть острова довольно крутая и имеет обрывистые места. Она изрезана меньше, чем восточное побережье, на котором так же редко встречаются низменные прибрежные участки с подводными камнями и скалами. Глубоко в море врезается каменистый риф северо-западного мыса Кимпей (Кимберлей). А окончанием северо-восточного мыса Киито (Лтль-Джон) является скала Цуригане (Камень ясной погоды), имеющая высоту 88 метров. Южная оконечность острова прикрыта могучими обрывистыми скалами, которые на глубине 20 метров имеют подводные рифы, придающие морской воде темный цвет.
Большинство горных склонов довольно крутые, на них нет рыхлых наносов, только иногда их ложбины прикрыты каменными насыпями. Восхождение на вершины тяжелое. В понижениях расположены маломощные хрящеватые слои почв и грубообломочные наносы. Проведение земляных работ возможно лишь на небольшой глубине.
На острове Онекотан мало рек. Они в основном маловодны, перейти через них нетрудно, хотя во время дождей верховья довольно бурные. Речные долины, находящиеся в понижениях, широкие и наполнены грубым аллювием. На острове имеются два больших озера. Одно раскинулось у подножия пика Энцио, его длина составляет 4 километра, а ширина – 2 километра. Второе озеро находится у подножия горы Блакистон, его окружность составляет практически 15 километров.
По сравнению с другими северными островами, растительность острова Онекотан значительно богаче. Долины заросли густым луговым разнотравьем: борщевиком сладким, шеламайником камчатским, высоким медвежьим корнем, крапивой и какалией копьелистной. В некоторых местах встречаются труднопроходимые заросли крапивы и зонтичных растений. На побережьях озер и в низинах раскинулись моховые и травяные болота. Луга, чередующиеся с верещатником, покрыли пологие склоны холмов. Вершины склонов заняты зарослями кустарниковой ольхи, которые с высотой переходят в лишайниково-моховые и травянистые покровы на россыпях камней. У большинства растений имеются съедобные корневища. К ягодным растениям, растущим на острове Онекотан, относятся голубика, шикша и морошка. Строевой лес на острове не расположен.
На Онекотане обитают только мелкие грызуны и лисицы. В море водятся нерпы, а в районах, где обильно растет морская капуста, живут сивучи. Их лежбища находятся только на скале Пуритане. Скала Цуригане является местом гнездовья птиц. В бухте Немо во времена японского присутствия располагался лисий питомник.
В бухте Куроиси, на восточном побережье, можно увидеть остатки заброшенного древнего поселения. Через остров Онекотан проходит дорога, которая пересекает его поперек от бухты Куроиси до рейда Тенрюван.