Como em todo o Arquipélago, Santa Maria tem um clima temperado húmido e chuvoso com verão seco, com reduzidas amplitudes térmicas e elevada humidade relativa do ar. É, contudo, a ilha menos chuvosa, de acordo com os valores obtidos no período 1951/1980, sendo o mês de julho o mais seco e o de janeiro o mais chuvoso. 

A ilha de Santa Maria é a mais antiga do Arquipélago, tendo sido o mais antigo afloramento vulcânico datado de cerca de 8 milhões de anos. Nesta ilha, foram cartografadas oito unidades litoestratigráficas, com idades desde o Ante-Miocénico Superior ao Holocénico, correspondendo a uma sequência de rochas e outros materiais vulcânicos, de carácter explosivo e/ou efusivo, com intercalações de rochas sedimentares marinhas e terrestres em posições estratigráficas diversas [Serralheiro et al., 1987]. Esta sequência sedimentar é única no contexto regional, sendo que as relevantes jazidas fossilíferas deram origem a inúmeros estudos paleontológicos, desenvolvidos desde o terceiro quartel no século XIX. 

Pode dizer-se que Santa Maria é constituída por duas ilhas unidas numa só, “como duas siamesas que não sobreviveram à separação” [Melo, 2000]. Talvez por isso apresenta uma grande diversidade de paisagens, com a divisão a meio por uma cadeia de picos vulcânicos, que corre de norte a sul, culminando no Pico Alto. A metade ocidental, baixa e quase plana, muito seca e pobre em coberto vegetal, desabrigada e varrida pelos ventos fortes no inverno, muito quente e de uma cor amarelo-acastanhada no verão, é substancialmente diferente da parte que se encontra a leste daquela serra, mais húmida e arborizada, com um relevo movimentado, onde os terrenos são mais férteis e ainda se mantêm as tradicionais práticas agrícolas. “Tudo, nesta ilha de duas ilhas cerzidas entre si, se repõe como o tratado da esfera. O círculo mais vasto contem em si a terra morta e a erva amarela, assim como a lomba sobre a qual se ergueu a Vila; depois esse mesmo círculo intermédio, cujo centro passa pelo vértice do Pico Alto, possui um raio de giz que assinala na paisagem o limite extremo do verde” [Melo, 2000]. 

A zona montanhosa constitui o grande repartidor de águas leste–oeste da ilha. É na parte central desta cadeia que se formam as ravinas mais agrestes, assim como as mais extensas ribeiras – a Ribeira do Farropo, que desagua na Praia, correndo para sudoeste; a Ribeira do Engenho, correndo para noroeste; a Ribeira de Santa Bárbara, junto ao aglomerado com o mesmo nome que desagua na Baía do Tagarete - esta corre para norte e é a de maior densidade de drenagem na ilha; a Ribeira do Salto, correndo para leste e que desagua na Baía de São Lourenço. Vários outros cursos de água profundamente encaixados atravessam a metade oriental da ilha, condicionados pelo relevo acidentado e pela altitude, geralmente acima dos 200 metros e com alguns picos com mais de 300 metros de altitude. 

Grande parte da costa é constituída por arribas rochosas de considerável altura e grande valor cénico. “Não há outra assim nos Açores: rasgada de alto a baixo e ao longo de toda a estrutura horizontal, e em cuja linha se sucedem os cabos e as agrestes falésias que dão por vezes lugar a grutas, baías e outras reentrâncias muito mais pronunciadas e igualmente agrestes” [Melo, 2000]. Destacam-se a Baía da Cré, Baía do Raposo, Ilhéu das Lagoínhas e Baía do Tagarete, na costa norte; toda a costa oriental, principalmente a Baía e Ilhéu de São Lourenço, Baía do Cura, Maia e Ponta do Castelo, com algumas fajãs; e parte da costa sul, entre Ponta do Castelo, Ponta da Malbusca e Larache e, a ocidente de Praia, quase até à Ponta do Marvão, passando pelo Figueiral. 

Muitas destas arribas e algumas das fajãs ali existentes, ainda hoje são aproveitadas para a cultura da vinha em quartéis com socalcos em muretes de pedra seca, atualmente em regressão, sendo notável este tipo de intervenção humana nas encostas da Baía de São Lourenço, afamado local de veraneio, na Baía da Maia e Ponta do Castelo, aparentemente ainda mais abandonadas que as de São Lourenço. 

As duas principais praias – São Lourenço e Praia Formosa – são de areia clara, por parte da sua alimentação sedimentar ser feita a partir de rochas carbonatadas, ao contrário do que acontece com todas as outras praias do Arquipélago, de areias bastante escuras. Os maiores afloramentos destas rochas sedimentares situam-se entre Figueiral e a Praia Formosa, numa faixa a oeste da zona do Bom Despacho, no Farropo e na zona de Lagoínhas, Feteiras, Baía da Cré e arriba costeira entre São Lourenço e Ponta do Cedro. Sobre essa particularidade de Santa Maria escreve Frias Martins: “A alva singeleza da cal com que hoje se adornam as fachadas das casas dos nossos povoados mais característicos deve a sua brancura a seres submarinos que há uns quatro milhões de anos viveram sobre a lava imersa de Santa Maria e ali deixaram, fossilizados, mais ou menos esmagados, os esqueletos que lhe serviam de proteção e apoio. Situadas hoje a cento e cinquenta metros acima do nível do mar, estas formações calcárias são bem o sinal da abundância de vida, outrora, em volta dos então bancos submarinos.” [Martins, 2000]. 

Apesar de ser a ilha mais seca do Arquipélago, tem ainda muitas áreas de pastagem, principalmente nos planaltos ocidentais, onde predominam as pastagens pobres em vastas extensões e nas encostas a norte; na parte oriental, muito mais fresca, a maioria dos terrenos está intensamente cultivada, por vezes recorrendo à armação do terreno para enfrentar o declive e os riscos de erosão. São de salientar, pelo enorme valor de paisagens culturais, as encostas da Baía de São Lourenço e da Maia, com as suas vinhas em quartéis, assim como de outras paisagens vinhateiras, ainda com interesse cultural, apesar da atual degradação em que se encontram, e uma reduzida área de currais em produção, nos Anjos. 

De acordo com as descrições de Gaspar Frutuoso, nos finais do século XVI, constata-se que as atuais culturas vinhateiras são uma pálida amostra do que teriam sido naquele tempo, quando grande parte do litoral mariense produzia muito e bom vinho. Diz-nos, por exemplo, referindo-se a Castelete, a norte da Maia, que tinha “... muito e bom vinho, quase como o da Madeira...”, ou, relativamente à Maia, que aí se produzia 100 pipas de vinho por ano e ainda muita fruta, como figos, marmelos e pêssegos, sendo em muitos destes sítios costeiros o vinho tirado pelo mar, de barco, pela dificuldade de acessos terrestres. Aquele autor menciona, ainda, a existência de vinhas em vários outros locais, tais como Fajãs da Fonte Grande, Fajã de Afonso, Cardal, Rocha da Malbusca, Praia [“... a primeira vinha foi de um homem de Portugal, de alcunha o Albardeiro...”], Figueiral, costa a leste da Ponta do Marvão, fajãs a leste de Lagoínhas e encostas da Ribeira de Diogo Gil ou de Santo António. 

A par dos produtos agrícolas, Santa Maria destacou-se, até há poucos anos, como tradicional fornecedor para as outras ilhas dos Açores de pedra de cal e de barro [em bruto, em telha ou em louça]. A exploração e exportação da urzela [Rocella tinctoria], líquen esbranquiçado tintório, muito abundante em certas zonas da costa, especialmente na Rocha da Malbusca, foi outra das riquezas da ilha, outrora usado como corante e aplicado em curtimentos. 

Em meados do século XX a área total de matas sofreu uma forte redução, quer devido à necessidade de lenha e de madeira, quer pela sua transformação em pastagem, tendo então desaparecido a mata de uso extensivo. Algumas outras foram plantadas, principalmente com pinheiros, acácias ou eucaliptos, confinando-se os matos às partes mais altas dos montes e às ravinas, onde ainda está representada a urze [Erica azorica], faia [Morella faya], o louro [Laurus azorica], o pau-branco [Picconia azorica], o cedro [Juniperus brevifolia] e poucas mais espécies da flora primitiva. Santa Maria ainda possui 36 endemismos açóricos de plantas vasculares atualmente conhecidos, sendo a ilha com menor número de taxa endémicos a seguir à Graciosa. 

Fazem parte da fauna local várias espécies de aves, tais como o milhafre [Buteo buteo ssp. rothschildi], o estorninho-malhado [Sturnus vulgaris], o melro-preto [Turdus merula azorensis], o verdilhão [Carduelis chloris], a estrelinha [Regulus regulus azoricus], de raça própria, diferente da de São Miguel e da das ilhas do grupo central [Bannerman e Bannerman, 1966], o tentilhão-dos-Açores [Fringilla coelebs moreletti] e as aves marinhas, como a gaivota [Larus cachinnans atlantis], o cagarro [Calonectris diomedea], o garajau [Sterna hirundo], o garajau-rosado [Sterna dougallii] e o maçarico-galego [Numenius phaeopus]. O único mamífero existente aquando da descoberta era o Morcego-dos-Açores [Nyctalus azoreum], que ainda ali se encontra com outros mamíferos que terão sido introduzidos no período das descobertas, de que é exemplo o coelho [Oryctolagus cuniculus] ou, mais recentemente, o ouriço-cacheiro [Erinaceus europaeus]. 

Atualmente, só cerca de 46% da área de Santa Maria está abrangida por explorações agrícolas, de acordo com o Recenseamento Geral da Agricultura de 2009 [SREA, 2009]. O número total de explorações sofreu um decréscimo acentuado de 40% entre 1999 e 2009, enquanto a área total de exploração se manteve estável; por seu turno, a área média por exploração agrícola aumentou de 6 para 8 hectares. Estas transformações devem-se essencialmente à contínua regressão das áreas ocupadas com culturas permanentes, compensadas pela expansão das pastagens permanentes, que passam a representar 93,4% da Superfície Agrícola Útil da ilha. 

Administrativamente, Santa Maria tem um concelho [Vila do Porto] com cinco freguesias. Em 2001 tinha 5578 habitantes e uma densidade populacional de 57,5 hab/km², mais de metade dos quais residindo na sede do concelho. Hoje, de acordo com os resultados dos Censos de 2011 [SREA, 2011], conta com 5547 indivíduos, a que corresponde uma variação negativa ligeira, de cerca de 0,6%. O sector terciário representava, em 1991, 81%, o secundário 13% e o primário apenas 6% da população ativa da ilha. 

Santa Maria foi a primeira ilha dos Açores a ser povoada, alguns anos antes de São Miguel, com início entre 1439 e 1443, por famílias provenientes de diversas regiões do continente português, com predomínio das províncias do sul. Praticamente todas as povoações atualmente existentes já estavam implantadas após o primeiro século de povoamento, sendo esse povoamento concentrado na metade ocidental da ilha, mais árida, como Vila do Porto, Anjos, Santana, São Pedro ou Almagreira, e do tipo disperso na metade oriental, embora aí mais tardio, especialmente em Santa Bárbara e Santo Espírito. Contrariamente ao que é corrente nos Açores, a distribuição do casario não é comandada pela rede viária sendo, também, a ilha menos litoralizada do ponto de vista da presença humana, em resultado da secura e da aridez junto à linha de costa. Com exceção de Vila do Porto, Praia Formosa, Maia e São Lourenço, grande parte do povoamento ocupa o interior da ilha, onde as condições do relevo e as moderadas altitudes convidam ao desenvolvimento das atividades humanas. 

No âmbito histórico-cultural, é de relevar o Conjunto Protegido do Núcleo Urbano Antigo de Vila do Porto, o mais antigo dos Açores, onde persistem diversas edificações de fundação quatrocentista que aguardam urgente recuperação e onde se destacam a Igreja Matriz, a Casa dita do Capitão do Donatário, o Convento de São Francisco [atual Câmara Municipal] e o Forte de São Brás. Dispersa e integrada na paisagem, a habitação popular de Santa Maria compõe um conjunto de grande uniformidade tipológica com os característicos volumes do forno-chaminé-alta, reboco de cal branca e faixas coloridas que identificam pela cor os diversos povoados. São também de salientar os teatros [ou triatos] do Espírito Santo acompanhados pela copeira destinada às funções que introduzem particularismos a uma prática cultural comum a todas as ilhas açorianas. As covas ou furnas dos mouros, silos subterrâneos escavados no solo para armazenar cereal e eventualmente objetos valiosos quando se adivinhava uma investida dos piratas, constituem outra marca deixada na paisagem de uma possível influência árabe, outrora conhecida no sul de Portugal Continental. 

Herança mais recente, mas muito impressiva é a presença do Aeroporto e do seu bairro residencial anexo, construído pelos americanos na década de 1940. Situado em Santana, a escassos 5 km do centro da Vila, o bairro do Aeroporto com os seus pré-fabricados de chapa metálica e os equipamentos coletivos inseridos em amplas zonas verdes, hoje acusando sinais evidentes de decadência, representa um modelo urbano singular que se constitui como polo de crescimento urbano de Vila do Porto. 

Santa Maria é uma das ilhas dos Açores onde o património natural – vegetal, animal ou paisagístico – se encontra menos diversificado, quer por fatores naturais, quer devido à utilização agrícola e a alguma construção. No entanto, pela sua maior idade e pelas características próprias da geomorfologia, diferenciação climática e ocupação cultural constitui-se como uma ilha diferenciada das restantes. Aqui parece não fazer-se sentir, tanto como em São Miguel, por exemplo, uma tão notória pressão da intervenção humana e consequentes processos de degradação. Para minimizar os riscos de tal degradação há que ter especial atenção na conservação da costa [principal habitat da avifauna presente], das zonas de maior interesse geológico e das jazidas fossilíferas, assim como atuar preventivamente contra os riscos de erosão das encostas e da degradação do património cultural e paisagístico.