L'archipel portoricain se compose d'une île principale et de plusieurs îles habitées ou protégées, au coeur des Grandes Antilles. Sa géographie associe une chaîne montagneuse centrale, un relief calcaire spectaculaire au nord et des plaines côtières étroites qui concentrent l'essentiel de la population.
Porto Rico se trouve à l'est de la République dominicaine et à l'ouest des îles Vierges, entre l'océan Atlantique au nord et la mer des Caraïbes au sud. L'île marque la limite orientale des Grandes Antilles et ouvre sur l'arc des Petites Antilles. La fosse de Porto Rico, située au nord, atteint plus de 8 000 mètres de profondeur et constitue le point le plus bas de l'Atlantique.
L'île principale mesure environ 177 kilomètres d'est en ouest et 65 kilomètres du nord au sud, pour une superficie proche de 8 900 kilomètres carrés. Vieques et Culebra, situées à l'est, restent habitées et accessibles par bateau ou par avion. Mona, à l'ouest, forme une réserve naturelle inhabitée réputée pour ses falaises et ses iguanes.
La cordillère centrale traverse l'île d'est en ouest et couvre une large part du territoire. Le Cerro de Punta, son point culminant, s'élève à 1 338 mètres. La Sierra de Luquillo prolonge ce relief dans le nord-est et culmine à un peu plus de 1 000 mètres.
Une bande de calcaire s'étend au nord de la cordillère et forme un paysage de mogotes, de dolines et de grottes, dont le réseau souterrain du Rio Camuy. Deux plaines côtières étroites, l'une au nord et l'autre au sud, accueillent les villes, les ports et les zones agricoles.
La forêt nationale d'El Yunque protège la seule forêt tropicale humide du réseau forestier fédéral américain, sur environ 11 000 hectares. Plus de 50 rivières descendent de la cordillère vers les deux côtes, la plus longue étant le Rio de la Plata. Les lacs de l'île résultent tous de la construction de barrages.
La position de l'archipel sur la limite entre les plaques caraïbe et nord-américaine expose le territoire aux séismes, comme l'a rappelé la secousse de magnitude 6,4 qui a frappé le sud-ouest en janvier 2020. Les ouragans traversent régulièrement la région, en particulier Maria en septembre 2017 et Fiona en septembre 2022, qui ont causé des dégâts durables aux réseaux et à l'habitat.