La Patagonie fait partie de la région biogéographique (écozone) néotropique. Par la présence de la cordillère des Andes, de l'influence de l'océan Pacifique et de l'océan Atlantique, la morphologie géographique (biome) de la Patagonie se présente fortement diverse et contrastée. Les paysages se composent de forêts tempérées d'arbres à feuilles caduques, de prairies, savanes et brousses tempérées, de prairies et broussailles de montagnes, de montagnes, d'étages alpins, d'étages subalpins, de glaciers côtiers et de vallées, de littoraux ou de physiologies maritimes telles des fjords, des îles, des bras de mer ou détroits.
Dans ce vaste contraste, il est possible de distinguer la Patagonie en différentes parties géographiques :
La cordillère des Andes est la seconde chaîne de montagnes la plus haute du monde après l'Himalaya, avec une altitude moyenne de 4 000 m au-dessus du niveau de la mer. Son point culminant est l'Aconcagua (6 962 m) mais il ne se trouve pas en Patagonie. Le volcan Domuyo culminant à 4 709 m, qui appartient à la province de Neuquén en Argentine est le plus haut sommet de la Patagonie. Le Monte San Valentin au Chili avec ses 4 058 m, est, quant à lui, considéré comme le plus haut sommet de Patagonie au delà des 40e Sud. Entre la frontière entre le Chili et l'Argentine, se dressent le Fitz Roy (3 405 m) et le Cerro Torre (3 102 m) située dans le parc national Los Glaciares. Malgré leur faible altitude, l'ascension de ces sommets représente des difficultés techniques aussi difficiles que celles rencontrées en Himalaya.
Lors de la Pléistocène le climat est caractérisé par des cycles de glaciation pendant lesquels des glaciers continentaux sont descendus jusqu'au 40e parallèle. Lors de l'extension maximale des glaces, 30 % de la surface de la Terre est couverte par les glaces. Le permafrost s'étend de la limite des glaces à plusieurs centaines de km plus au sud. La température annuelle à la limite des glaces est de -6° C et de 0° C à la limite du permafrost. Le sud de la Cordillère des Andes est couvert par le glacier de Patagonie. Quatre glaciations majeures ont été identifiées, séparées par des périodes interglaciaires. Ces changements majeurs (glaciation et rétraction) modifieront profondément la morphologie des paysages de la Patagonie actuelle. Ainsi se formèrent les vallées glaciaires, les vallées suspendues, en forme de "U" et des cirques glaciaires.
Il subsiste aujourd'hui une immense calotte glaciaire (ou champ de glace) appelée Campo de Hielo Sur située principalement en Patagonie du Chili est la troisième calotte glaciaire au monde après l'Antarctique et le Groenland. Avec ses 16 800 km2 de glaces, le Campo de Hielo Sur constitue la réserve d'eau douce la plus importante d'Amérique du Sud. Mais par l'observation des photos satellites depuis 1990, le glacier est en recul. Les biomes d'étages alpins et d'étages subalpins des versants Est (côté chilien) sont influencés par le Pacifique sud qui apporte de fortes pluviométries et se distinguent de ceux des versants Ouest (côté argentin) plus secs.
Bien que l'altitude de la cordillère des Andes diminue nettement dans la partie de Patagonie, le fait de se diriger vers les régions australes du Globe et par l'influence océanique du Sud, développent un climat de montagne tout aussi instable et exigeant que dans sa partie Nord. La cordillère des Andes va déterminer deux types de climat de part et d'autre de la chaîne : humide et frais sur l'étroit versant pacifique (côté chilien), sec et venteux sur le versant atlantique (côté argentin).
À l'est de la cordillère des Andes, cette région ne concerne que la Patagonie de l'Argentine. Elle est souvent confondue avec la province de La Pampa qui elle ne se trouve pas en Patagonie mais au nord du Río Colorado là où effectivement se trouve les plus grandes étendues de plaines pampéennes.
Plusieurs biomes sont observés. La pampa au Nord (la zone de Rio Negro), les prairies, savanes et brousses tempérées, au Centre et au Sud et les prairies et broussailles de montagnes à l'Est. L'altitude y est peu élevée. La présence de forêts rares. Ces régions sont propices à l'élevage où se concentrent les 13 millions de bêtes de la Patagonie de l'Argentine. Ce qui accélère le processus d'érosion et de l'appauvrissement des sols déjà affectés par le climat de plus en plus aride. La région la plus touchée est la province de Santa Cruz où il est question d'une désertification future.
Ces biomes sont caractérisés par un climat tempéré à pluviométrie faible en plaine à modérée en zones de relief. La prairie est établie dans les régions de climat continental caractérisé par un hiver froid - quatre mois inférieurs à 0°.
La côte Atlantique Sud de la Patagonie est composée de quelques zones urbaines comme Puerto Madryn, Rawson, Comodoro Rivadavia, Rio Gallegos ou Rio Grande. Ce sont principalement des ports de pêche ou de commerce et il y existe peu de villes balnéaires, Mar del Plata étant la dernière grande ville balnéaire mais en dehors de la Patagonie. Rada Tilly, Puerto Madryn font exception. Les côtes présentent alors des paysages originels, variés et remarquables comme la péninsule Valdés inscrite par l'UNESCO comme Patrimoine Naturel de l'Humanité. Balayées par les vents violents dominants d'ouest, les côtes et l'Atlantique Sud à la hauteur de la Patagonie ont été surnommées les quarantièmes rugissants et les cinquantièmes hurlants par les marins et les navigateurs. La mer y est souvent très formée et les vents sont violents et soudains. C'est pourquoi il n'y a pas d'activités de plaisance. Celles-ci sont cantonnées dans tout le Rio de la Plata. La région de Comodoro Rivadavia possède la plus grande réserve de pétrole de la Patagonie. Au sud de cette ville à l'embouchure orientale du détroit de Magellan du côté argentin et également chilien s'y sont développées des plates-formes pétrolières et des infrastructures d'extraction et de stockage de gaz naturel.. Après Rio Grande en Terre de Feu, la côte rejoint la péninsula Mitre, la pointe de l'extrême ouest de la Terre de Feu. Au large de celle-ci, située dans la mer de Scotia, se trouve l'île des États, inscrite comme réserve naturelle depuis 1991. C'est entre cette péninsule et cette île que se situe le fameux détroit Le Maire.
La côte Pacifique Sud de la Patagonie s’étend de la latitude 41° S jusqu’à l’extrémité Sud du Chili. Durant la dernière glaciation, ce lieu était couvert par les glaciers qui ont fortement érodé les reliefs. La dépression intermédiaire disparaît sous la mer et la cordillère de la Côte donne naissance à une série d’archipels comme Chiloé et les Chonos puis disparaît au niveau de la péninsule de Taitao, vers le 47e parallèle. Ensuite apparaît une multitude d’îles dans la courbure occidentale de la cordillère Darwin sans aucune présence humaine. la partie entre Puerto Montt et Puerto Natales est très à l'étroit entre l'océan Pacifique et la cordillère des Andes. La pluviométrie y est très forte et il fait beaucoup plus froid que dans le Nord. Durant la dictature Pinochet, le pouvoir a fait des tentatives de peuplement. Ce fut des échecs. Seul le village de pêcheurs de Puerto Edén subsiste aidé par le gouvernement actuel. Les régions au nord de la Patagonie (Valdivia ou Puerto Montt) connaissent un climat de type maritime, puis les régions plus au sud ont un climat de type subpolaire océanique, froid et humide sans être polaire. La côte se termine au cap Froward situé au Chili, sur la péninsule de Brunswick. Ce cap se présente comme le point le plus au sud du continent américain.
Séparée par le fameux détroit de Magellan, la Terre de Feu principalement composée de la Grande Île de Terre de Feu (en espagnol : Isla Grande de Tierra del Fuego) est le dernier territoire habité avant l'Antarctique.
Outre sa Grande Île, la Terre de Feu comprend de milliers d'îles, surtout sur sa côte ouest (Pacifique) depuis Puerto Montt et ceci jusqu'à l'archipel L'Hermite qui abrite le non moins célèbre cap Horn. La Terre de Feu est parcourue par la cordillère Darwin. Celle-ci qui abrite le point le plus élevé, le mont Darwin à (2 488 m) forme une courbure, formée par la plaque Scotia, orientée ouest-est, ce qui la distingue de la cordillère des Andes, orientée nord-sud. En fait elles ont la même origine. Ce relief montagneux se termine à l'île des États à l'extrémité Est de la Terre de Feu. Cette région se distingue par son relief montagneux et boisé surtout sur sa partie Sud et de son littoral. Ces forêts constituées principalement d'arbres de la famille des Nothofagus sont appelées forêts fuegiennes. Il y existe de nombreuses tourbières au sud de l'île ainsi que de nombreux lacs non répertoriés tandis que la pampa avec un léger relief, se trouve au nord de Rio Grande. Il s'agit d'une des régions au monde les moins bien cartographiées et notamment dans sa partie orientale dans les nombreux dédales des canaux chiliens.
La Terre de Feu présente un climat subpolaire océanique. C'est un climat froid sans atteindre celui polaire, adouci par les influences océaniques notamment celles du Pacifique Sud avec des vents dominants orientés ouest et sud-ouest. Les amplitudes à l'année sont les plus faibles de la Patagonie (moins de 8,5 °C d'amplitude moyenne). La pluviométrie est la plus forte à la fin de l'automne (mai, juin) et au début du printemps (novembre, décembre). Les chutes de neige sont fréquentes tout au long de l'année mais l'accumulation y est faible même en hiver dans les plaines mais beaucoup plus en montagne. Les vents qui soufflent entre 20 et 30 km/h en moyenne à l'année, peuvent atteindre quelquefois et ceci quelle que soit l'époque de l'année les plus de 100 km/h, comme avec ces vents si particuliers de la Patagonie, les williwaws. Il a été enregistré des vents à 160 km/h à Ushuaïa et à 200 km/h à Rio Grande.
La cordillère des Andes fait partie de la ceinture de feu du Pacifique caractérisée par de fréquents séismes et des volcans actifs. Cette zone est la deuxième la plus sismique au monde. Les volcans de la cordillère des Andes se concentrent principalement au Nord, cependant il en existe, éteints et actifs, en Patagonie :
et aussi le Copahue, le Lanín, le Melimoyu, l'Osorno