Климат С. умеренный муссонный. Характерны холодная, более влажная, чем на материке, зима и прохладное дождливое лето. Охлаждающее воздействие сибирского континентального муссона зимой и холодных вод Охотского моря летом придают климату суровость, аномальную для данных широт; с зимними циклонами связаны сильные бураны и снегопады. Незамерзающие участки Охотского моря и Татарского пролива несколько смягчают и увлажняют зимний муссон. Летний муссон приносит на С. влажный океанический воздух, обусловливая летний максимум осадков. Восточные берега холоднее западных в результате воздействия морских течений — холодного Сахалинского на В. и тёплого Цусимского на Ю.-З. Средние температуры января на С. острова от —17,7 до —24,5 °С, на Ю. от —6,2 до —12 °С. Зима продолжается 5—7
Реки преимущественно горные, многоводные, принадлежат бассейну Охотского и Японского морей. Паводки весной и в начале лета связаны с таянием снегов на равнине и в горах, летние и осенние максимумы стока — с муссоном и тайфунами. Покрыты льдом с ноября — декабря по апрель — май. Наиболее крупные реки — Тымь и Поронай, на равнинных участках которых катерное судоходство, на многих реках — сплав леса.
На С. имеется множество мелких озёр, приуроченных преимущественно к низменным или равнинным районам острова, а по берегам морей — изолированные от моря лагуны. Много болот, особенно обширных на Поронайской низменности (Тымь-Поронайский Дол).
Почвы на равнинах С. торфяно-подзолисто-болотные суглинистые, средне- и слабоподзолистые супесчаные, в осевых долах болотные и аллювиальные лугово-дерновые и лугово-глеевые; в горах — буро-таёжные неоподзоленные и слабо-оподзоленные; в Восточно-Сахалинских горах встречаются горные подзолистые.
Флора С. преимущественно южноохотская, на Ю. и Ю.-З. в ней преобладают северояпонские элементы. На С. господствует редкостойная лиственничная тайга; к Ю. от 52° с. ш. преобладают леса из аянской ели и сахалинской пихты; на Ю.-З. усиливается роль широколиственных (клёны, бархат, маньчжурский ясень, монгольский дуб и др.) и лиан (актинидия, лимонник, виноград). В верхнем поясе гор — заросли каменной берёзы и кедрового стланика. В подлеске на склонах Западно-Сахалинских гор обилен курильский бамбук. Под пологом леса, особенно в долинах, развито высокотравье из гигантских папоротников, гречихи сахалинской и др. На заболоченных равнинах обширны безлесные пространства, напоминающие тундру и лесотундру.
Для большей части С. характерна таёжно-сибирская фауна, несколько обеднённая по сравнению с материком вследствие островного положения. Из млекопитающих водятся медведь, лисица, росомаха, соболь, белка, бурундук, сев. олень, кабарга и др. На прибрежных скалах — «птичьи базары» (кайр, топорков, бакланов и др.). Близ берегов встречаются морские млекопитающие: сивуч, калан, морской котик. В реки на нерест заходят проходные лососёвые рыбы.
О хозяйстве и населении С. см. в ст.