Ikaria se situe à l'est de la Mer Égée, dans les Sporades orientales, entre Samos, située au sud-ouest à 10 miles nautiques (19 km), Mykonos, à 26 miles (48 km) à l'ouest et Chios, à 56 miles (104 km) au nord. L'île est à 143 miles nautiques (265 km) du Pirée. C'est une des plus grandes îles de la Mer Égée orientale : sa côte s'étend sur 160 kilomètres et sa superficie totale est de 660 km². Elle a une forme allongée et s'étend du nord-est au sud-est. Elle est presque entièrement converte par le mont Atheras (anciennement Pramnos), dont le plus haut sommet est le pic Melissa (1 040 m). Cette montagne s'étire sur toute la longueur de l'île et se termine en terrasses vers le sud. Au nord se trouve la seule région de plaine à Kambos et Faros. L'île a la forme d'un navire renversé, comme l'avait observé au XVe siècle le voyageur Cristoforo Buondelmonti.
L'île fait partie d'un vaste ensemble géologique allant de l'Asie mineure aux Cyclades. Sa formation géologique est à rapprocher de celle de sa voisine Samos. Elle est principalement composée de schistes métamorphiques (gneiss principalement avec des inclusions de marbre et micaschiste). Au sud (Agios Nikolaos) se trouve une vaste zone de falaises argileuses. Sur les douze villages de l'île, onze sont montagneux. Seul Evdilos, au nord d'Ikaria est semi-montagneux.
Le climat est typiquement méditerranéen, avec des précipitations annuelles de plus de 870 mm. La température moyenne annuelle atteint les 19,3°C, avec une moyenne des maximas de 22,5°C et des minimas de 15,7°C. Des brouillards fréquents et des nuages rendent les sommets relativement humides, même en été. Des vents du nord et du nord-ouest assez forts soufflent tout au long de l'année. L'hiver est court, doux, avec beaucoup d'averses.
mois | jan. | fév. | mar. | avr. | mai | jui. | jui. | aoû. | sep. | oct. | nov. | déc. | année |
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Température moyenne (°C) | 12 | 13 | 15 | 19 | 24 | 29 | 31 | 31 | 28 | 22 | 18 | 14 | 19,3 |
Précipitations (mm) | 159 | 108 | 88 | 42 | 28 | 3 | 1 | 1 | 16 | 43 | 103 | 167 | 63,25 |
L'aspect dénudé des sommets de l'Atheras est principalement le résultat du pâturage. Les quelques zones épargnées indiquent que l'île était autrefois entièrement couverte de forêts.
Plusieurs régions de l'île d'Ikaria (de même que des îles de Fourni) sont intégrées dans le réseau Natura 2000 afin de préserver l'environnement naturel et la grande biodiversité. On y trouve de nombreuses plantes endémiques (21) et des invertébrés (15). Cet important endémisme est dû à la situation géographique de l'île (proche de l'Asie mineure) tout comme à ses hautes altitudes et à la grande variété de biotopes.
Ikaria fait partie de la périphérie du Nord de l'Egée et du nome de Samos. Outre l'île de Samos, il comprend aussi l'île d'Ikaria et les îles Fourni. Ikaria est elle-même divisée en trois dèmes ou municipalités :