Esta región presenta características y muy particulares. Sus costas recortadas forman un gran número de islas, archipiélagos, penínsulas, canales y fiordos, conformando una situación topográfica irregular que corre en torno a un eje en dirección norte–sureste con un ancho variable, que alcanza su máxima expresión entre Punta Dungenes en el extremo oriental del estrecho de Magallanes y grupo Evangelistas en el Pacífico.

Las dos fajas longitudinales características del resto del país, la Cordillera de la Costa y la depresión intermedia, desaparecen en la Península de Taitao y en las profundidades del Golfo de Penas, respectivamente.

Las unidades de relieve de la Región de Magallanes son, de oriente a poniente: Patagonia Oriental o Transandina, Cordillera de los Andes Patagónicos; Cordillera Occidental Archipiélica.

La Patagonia Oriental se extiende al oriente de la Cordillera Patagónica, hasta el límite con Argentina. Se le denomina también Meseta Oriental Transandina y Estepa Fría Magallánica. Su topografía es plana o semiplana con una altura promedio de 500 msnm, mejorando de esta manera las condiciones naturales para el asentamiento humano. También es posible encontrar diversos ríos como el Serrano, Penitentes, Grande, Munizaga y otros que drenan hacia el Océano Atlántico. Desde su límite norte, la Patagonía chilena se extiende desde la Cordillera Dorotea, interrumpida en su parte central por el Estrecho de Magallanes y continuando en Isla Grande de Tierra del Fuego, donde es posible encontrar una serie de bahías como Inútil, Felipe y Lomas; hasta el seno Almirantazgo en el contacto con la Cordillera de Darwin.

Desde el Campo de Hielo Sur hasta la Cordillera Darwin, se ubica la Cordillera de los Andes Patagónicos. Con alturas superiores a 2.000 m, donde destacan las cumbres más altas de la región: cerro Fitz–Roy de 3.340 m en el límite norte; la Cordillera del Paine cuyas torres alcanzan alturas de 3.000 m; cerro Bolador de 2.940 m; y cerro Cervantes de 2.380 m. En su parte norte se localiza el Campo de Hielo Sur de 30 km de ancho cubierto de hielos permanentes de donde se desprenden ventisqueros. En su parte central es interrumpida por canales y fiordos. En esta parte la cordillera presenta menores alturas (1.500 m) a causa de la erosión glaciar. Al sur del estrecho de Magallanes la cordillera cambia de rumbo a suroriente y aumentan las alturas por sobre los 2.000 m sobresaliendo la Cordillera de Darwin. Aquí destacan los cerros Sarmiento de Gamboa de 2.300 m; Italia de 2.350 m y Darwin con 2.438 m. Esta unidad de relieve termina en los canales Ballenero y Beagle, siendo las últimas unidades las islas Hoste y Navarino.

La Zona Cordillerana Occidental Archipiélica se presenta muy fragmentada por la acción permanente del hielo, formada por numerosos archipiélagos e islas de baja altura (inferiores a 1.000 m). Las condiciones climáticas y los hielos han hecho de esta zona un lugar de difícil ocupación humana. La Zona Archipelágica se extiende desde el límite norte de la región hasta la isla del Cabo de Hornos y la separan del continente los canales Paso del Indio, Paso Ancho, Sarmiento, estrecho de Magallanes y los canales Cockburn, Ballenero y Beagle.

El sistema hidrográfico de la región se caracteriza por concentrarse al lado oriental o transandino; el sector occidental carece de cursos de agua. Los principales ríos corren por la Patagonia chilena y argentina, los cuales sirven de desagüe de los lagos del territorio chileno, conduciendo las aguas por territorio argentino, para desembocar en el Océano Atlántico. 
Las principales hoyas hidrográficas de la región son las de los ríos Serrano, Gallegos, Chico o Ciaike, San Juan y otras menores que se encuentran al sur del Estrecho de Magallanes. 
El río Serrano nace en la parte oriental de la Cordillera Patagónica, en el Campo de Hielo Sur, específicamente en el lago Toro. Este río presenta una cuenca de 7.350 km2, con un largo de 38 kilómetros y con un gasto de 61 m3/seg en su parte superior. Presenta una gran cantidad de lagos, los mas destacados son Toro, Sarmiento, Pehoe y Nordenskjöld. Su principal afluente es el río Grey, además del curso Paine que desemboca en el lago Pehoe. El sistema de alimentación del río Serrano es pluvial con aportes nivales por derretimiento de nieves en verano. 
La cuenca del río Gallegos tiene característica subandina desembocando en el Atlántico en bahía Gallegos, Argentina. Consta con una superficie de 10.120 km2, principalmente en el territorio argentino. Su formación se da en la nación transandina producto de la confluencia de los ríos Turbio y Penitente que tienen su nacimiento en Chile, atraviesa la Patagonia y después de recorrer 172 kilómetros desemboca en el mar. Dentro de la misma cuenca se encuentra el río Rubens que nace en territorio chileno y recorre 75 kilómetros. 
Al norte del Estrecho de Magallanes se ubica la hoya del río Chico o Ciaike. Tiene una longitud de 80 kilómetros en territorio chileno y 60 kilómetros en el lado argentino y desemboca en el Atlántico. 
Al sur de Punta Arenas, en la península de Brunswick, se encuentra la hoya del río San Juan que tiene como principal importancia el abastecimiento de agua potable para esta ciudad. Consta con un caudal medio de 20 m3/seg.

Clima
Su diversidad climática se refleja en las bajas temperaturas y fuertes vientos durante todo el año. Es posible distinguir los siguientes tipos: de estepa fría semiárido, trasandino, frío de altura; templado frío y húmedo de tundra. 

En la Zona Occidental Archipiélica el clima se presenta frío, húmedo y lluvioso, con precipitaciones de 3.500 mm anuales. Sus temperaturas son bajas y los vientos fuertes se presentan durante todo el año. En general las precipitaciones disminuyen de Occidente a Oriente y las temperaturas aumentan en la misma dirección. 
El clima frío de altura se registra en la zona Cordillerana de los Andes Patagónicos, presentando temperaturas bajo cero grados todo el año, sus precipitaciones son preferentemente sólidas y caen alrededor de 2.000 mm anuales. 
La presencia de lagos, valles cordilleranos, ventisqueros y ríos hacen variar el clima, permitiendo la existencia de microclimas con mayores temperaturas. En la vertiente oriental más abrigada de los vientos las precipitaciones son mucho menores, porque practicamente toda la humedad es captada por las laderas cordilleranas. 
En la Zona Transandina el clima se presenta con bajas temperaturas y escasas precipitaciones. La Patagonia oriental se caracteriza por vientos secos locales de la pampa provenientes del Oriente y por temperaturas altas permitiendo de esta manera el asentamiento humano. 
Vegetación
El paisaje vegetacional de la región está fuertemente influenciado por la distribución de las precipitaciones. Estas presentan grandes variaciones en sentido Este-Oeste, lo cual genera por lo tanto diferencias fácilmente apreciables. Así en la zona Archipelágica Occidental se desarrolla una formación boscosa llamada bosque magallánico, denso y húmedo, en donde es posible encontrar especies como el coigüe de Magallanes, ciprés de las Guaitecas y ñirre. En los sectores de mayor altura y laderas de la cordillera la vegetación del bosque frío cambia a tundra con musgos y líquenes. En el sector occidental del Estrecho de Magallanes predomina la selva húmeda y fría compuesta por especies como canelo, lenga, coigüe magallánico, entre otras. 

La estepa fría se desarrolla con gran importancia en la región.En la Zona Cordillerana Patagónica es posible encontrar una escasa vegetación debido a la presencia de nieves permanentes y glaciares cuyo límite inferior es de 1.000 m de altura, acompañado por bajas temperaturas, vientos húmedos y fríos que impiden el desarrollo de una vegetación densa. Sólo hasta los 600 m existe la formación de lengas con un crecimiento muy achaparrado. Entre los 600 y 900 m se desarrollan hierbas y gramíneas y por sobre los 900 msnm las especies comienzan a desaparecer encontrándose sólo algunos pastos, musgos y líquenes. Existen sectores donde se desarrolla un bosque subantártico de lenga y ñirre. 
En la zona transandina oriental es posible encontrar un paisaje vegetacional de estepa fría subandina de hierbas y pastos duros como el coirón, debido principalmente a las condiciones de sequedad, precipitaciones entre 200 y 400 mm y temperaturas promedio de 6°C durante todo el año.