Huyện đảo nằm về phía đông bắc tỉnh Quảng Ngãi, cách đất liền 15 hải lý.
Diện tích của huyện Lý Sơn là 10,39 km², dân số năm 2019 là 22.174 người, mật độ dân số đạt 2.134 người/km². Gồm 2 đảo: đảo Lớn (Lý Sơn, hoặc gọi Cù Lao Ré), đảo Bé (cù lao Bờ Bãi) ở phía bắc đảo Lớn và hòn Mù Cu ở phía đông của đảo Lớn.
Vào cuối kỷ Neogen (là một kỷ địa chất của đại Tân Sinh) đầu đệ tứ, cách ngày nay khoảng 25 - 30 triệu năm, đảo Lý Sơn được hình thành di sự kiến tạo địa chấn với sự phun trào nham thạch của núi lửa. Hiện nay trên đảo có 5 hòn núi đều là chứng tích của núi lửa đã phun trào. Sự phun trào và tắt đi của núi lửa đã tạo nên những cảnh quan thiên nhiên kỳ thú trên đảo. Chúng còn trải trên bề mặt đảo ở phía nam một lớp đất bazan màu mỡ thích hợp cho nhiều loại cây trồng, đồng thời còn tạo nên những rạng đá ngầm là điều kiện tốt cho các loài thủy tộc sinh sống.