Schiermonnikoog is, net als de andere waddeneilanden, ontstaan op de zandwallen die na de laatste ijstijd door de Noordzee werden gevormd.
Hierop vormden zich geleidelijk duinen. Door stijging van de zeespiegel en vanaf de middeleeuwen het ontwateren van veengebieden is de verbinding met de vaste wal verdwenen. Aan de westzijde wordt Schiermonnikoog begrensd door het Friese Zeegat, aan de oostzijde door de Eilanderbalg, door het Simonszand gescheiden van de oude Lauwers en het Boschgat, de oorspronkelijke uitmonding van het riviertje de Lauwers. De gronden van de Lauwers in het oosten en de Wierumergronden in het westen vormen de beide buitendelta's. Het grootste gedeelte van het eiland is sinds 1989 Nationaal Park (5.400 ha.) en in beheer bij Natuurmonumenten. Het dorp en de polder vallen buiten het Nationaal Park. Ook het gedeelte met vakantiehuisjes ten noorden van het dorp, de omgeving van de Badweg, de IJsbaan en de Berkenplas vallen er buiten. Een deel van de Waddenzee ten zuiden van het eiland behoort er wel toe.
Van noord naar zuid treffen we zones met karakteristieke landschapstypen aan: strand, buitenduinen, binnenduinen, polder, kwelder, wad. Het strand aan de oostkant, Oosterstrand en Balg, is zeer breed en met een, hier en daar onderbroken, stuifdijk met het eiland verbonden. Deze is aangelegd tussen 1959 en 1962.
Het strand is een zeer dynamisch gebied: het ene jaar is er een grote aanvoer van zand, een ander jaar verdwijnt er weer zand in zee. Het Rif is het strand dat de westpunt van Schiermonnikoog vormt en strekt zich zo'n twee kilometer in zuidwestelijke richting uit. Het is een belangrijke hoogwatervluchtplaats voor vogels. De Balg is de oostelijkste punt van Schiermonnikoog. In de afgelopen decennia is het eiland hier enkele kilometers aangegroeid. Het is een goede vindplaats van veel grote schelpen en soms een stukje barnsteen.
De oudste duinen liggen aan de rand van het dorp. Noordelijk en oostelijk daarvan zijn in de loop der jaren nieuwe duincomplexen ontstaan. De buitenste duinen bevatten de meeste kalk. Allerlei stadia van duinvorming komen voor: van prille stuifduintjes op het strand tot de begroeide duinen en duinvalleien in de oudere duinen. Het laatste hoge duin is het Willemsduin. Een nieuw duingebied ontstaat de laatste jaren op het strand. In relatief jonge duinvalleien komen kalkminnende vegetaties voor met orchideeën en parnassia (parnassia).
Een gedeelte van de duinen op Schiermonnikoog heeft een zeewerende functie. De duinen ten oosten van paal 7 hebben geen zeewerende functie. Enkele duinvalleien worden gemaaid of geplagd om verruiging tegen te gaan. In het duingebied ten noordwesten van het dorp en bij de Westerplas wordt drinkwater gewonnen. Tot ca. 1960 was deze Westerplas een kwelder met slenken, daarna werd de opening in de duinenrij aan de zuidkant van de plas dichtgemaakt. In elk jaargetijde herbergt de Westerplas een grote variatie aan watervogels. Een deel van het gebied wordt begraasd door paarden met als doel een gevarieerde begroeiing te houden.
De Banckspolder, bedijkt in 1860, is ongeveer 260 ha. groot. Ten zuiden van herberg Rijsbergen liggen nog enkele van de eerste dijkjes die in 1767 zijn aangelegd. Na indijking werd de bodem zoet en kon het worden gebruikt voor landbouw. Er zijn zeven boeren actief die gras en maïs verbouwen (melkveebedrijven). Van oktober tot mei grazen er duizenden roten brandganzen (swartbúkrotgoes en paugoes). Aan de oostkant van de polder, tegen de Kooiduinen, bevindt zich de gerestaureerde eendenkooi daterend uit 1861 en tegenwoordig in gebruik voor ringonderzoek bij vogels.
De dennenbossen zijn tussen 1912 en 1920 aangelegd door graaf Von Bernstorff (houtwinning). In de luwte van de dennenbossen ontstaat spontaan loofbos. De bodembegroeiing van het bos bestaat vooral uit bramen en varens. Onder de dennen groeit o.a. de kleine keverorchis. Op de uitgestrekte Oosterkwelder hebben zee en wind vrij spel. In deze vanaf het wad langzaam oplopende kwelder liggen enkele grote en veel kleine slenken. Alleen met stormvloed wordt de kwelder overspoeld door het zeewater. Er wordt dan een klein sliblaagje afgezet, waardoor de kwelder weer iets hoger wordt.
Vanaf het wad is er een zonering in plantensoorten, bepaald door het zout- en stikstofgehalte. Echte kwelderplanten zijn zulte of zeeaster (see-aster), zeealsem ( fliekrûd) en lamsoor (skieppe-ear). De kwelder is een zeer belangrijk broedgebied voor kustvogels als eidereend (eider), zilvermeeuw (sulvermiuw), kleine mantelmeeuw (lytse sjouwerman) en visdief (wytstirns). Sinds een aantal jaren broedt er een grote kolonie lepelaars (leppelbek) op de kwelder.
Hazen (hazze) en muizen zijn de meest voorkomende zoogdieren. De kwelder is het grootste natuurlijke landschap van Schiermonnikoog. Het kweldergedeelte bij de Kobbeduinen wordt begraasd door jongvee van de eilander boeren.
Zie: Handboek NM 356-357 ; Stuurgroep Avifauna van Schiermonnikoog (red.) Vogels van Schiermonnikoog (2005); Friese landschap 83-92; www.schierweb.nl; www.ecomare.nl.