Основным климатообразующим фактором являются окружающие Сахалин Охотское и Японское моря. Их влияние выражается в смягчении зимних холодов, особенно в прибрежных районах, в обилии зимних осадков, в муссонном характере ветров и очень высокой влажности воздуха.
Климат прохладный и влажный, территория Севера Сахалина и Курильские острова отнесены к районам Крайнего Севера, остальная территория Сахалина - к районам, приравненным к районам Крайнего Севера (средняя температура января в Южно-Сахалинске -11,9 градусов С, июля +12,3 градусов С).
Поверхность островов изрезана густой сетью небольших и неглубоких горных рек общей протяженностью около 22 тыс. км. Область богата природными водными ресурсами. По запасам пресной воды Сахалинская область занимает одно из первых мест в России (56,6 км3/год). Общее число водотоков на Сахалине и Курилах более 65 тыс., а их суммарная протяженность - 106 тыс. км. Озерный фонд области составляет свыше 17 тыс. озер общей площадью 1118 кв. км.
Широкое распространение имеют минеральные и термальные воды (углекислые, сульфидные, железистые, йодные, бромные, борные, бальнеологического значения), а также целебные минеральные грязи.
Флора области насчитывает около 1500 различных видов растений. Свыше 100 из них являются редкими и находятся под охраной государства, 20 - занесены в Красную книгу России; в области два заповедника - Поронайский и Курильский, 12 заказников, 50 памятников природы.
Также произрастают лиственница и полярная береза, ель и дикий виноград, кедровый стланик и бархатное дерево. На севере острова - кустарниковая ольха, ягель, лишайники, брусника, морошка, пушица. На юге можно встретить дуб, ясень, калопанакс, аралию, лианы, вьющуюся гортензию, актинидию, лимонник. На Сахалине и Курилах немало редких видов растений, являющихся остатками древней флоры, таких, как элеутерококк, диморфант, магнолия, калина Райта, ель Глена, тис, орех Зимбольда.
Площадь земель лесного фонда превышает 69 тыс. кв. км (79% территории области).
По разнообразию древесных пород сахалинская тайга одна из богатейших в России, в которой насчитывается около 200 видов деревьев, кустарников и деревянистых лиан. Наиболее распространены елово-пихтовые леса, состоящие из аянской сосны и сахалинской пихты. Около 400 млн. куб. м эксплуатационных ликвидных запасов елово-пихтового леса сосредоточено в центральной части Сахалина. На севере встречается даурская лиственница. Имеются площади, занятые березой белокорой и каменной.
Животный мир области представлен 80 видами. Из них 6 - редкие и исчезающие животные, занесенные в Красную книгу Дальнего Востока, в том числе 5 - в Международную Красную книгу.
На островах обитают бурый медведь, соболь, лисица, ласка, горностай, рысь и росомаха, заяц-беляк, северный олень, быстроногая кабарга.
На Сахалине и Курилах встречается более 350 видов птиц. На некоторых островах гнездятся целые колонии кайр, чаек, бакланов. Промысловое значение имеют куропатка, рябчик, глухарь, гусь, утка.
В водах Тихого океана, Японского и Охотского морей, омывающих острова, обитают котики, самые крупные ластоногие - сивучи, нерпы, встречается до 15 видов китов, в том числе голубой, гренландский, сейвал, кашалот, дельфин, касатка, белуха. У берегов Курильской гряды обитает калан.
Моря, омывающие берега Сахалина и Курильских островов, являются одним из наиболее продуктивных районов мирового океана. Биологические ресурсы области уникальны по своему количеству и качеству и имеют не только общероссийское, но и мировое значение.