Patmos se halla al sur de Icaria y al norte de Leros, siendo la isla más septentrional del Dodecaneso. Está compuesta por 3 franjas de tierra unidas por 2 estrechos. La parte central es la más habitada, con 3 de las 4 localidades de la isla: Skala, Hora y Grikos.
Forma parte (como el resto del Dodecaneso) del arco formado, al sur del Egeo, por el hundimiento del bloque africano que dio paso a una intensa actividad volcánica. Al elevarse el nivel del mar, surgieron las islas. En Patmos todavía se adivina el cráter de un volcán en su costa oriental, que configuraba sus lados norte y oeste.
La superficie de la isla es de 34 km², su longitud, de norte a sur, es de 12,5 km; su punto más estrecho apenas llega a los 300 m. La orografía de Patmos es levemente montañosa, Su máxima altura, en la zona central, es el Profiti Ilías, (269 m), seguido por el Prasovouno, en el sur (237 m). La superficie de la isla refleja su carácter volcánico, cuyo suelo es, en su mayor parte, rocoso, con vegetación baja mediterránea y algunas masas arbóreas. Su aridez dificulta en gran medida la actividad agrícola, que únicamente se practica en algunas zonas verdes.
La costa, cuyo perímetro es de 65 km, es muy irregular, con acantilados, rocas y unos pocos arenales escondidos en pequeñas bahías, sobre todo en su parte oriental, donde se alzan algunos islotes.
