気仙沼市街地の対岸正面に位置する。三陸海岸に特徴的なリアス式海岸の一つ、気仙沼湾の入口にある。本土とは大島瀬戸によって隔てられ、最も狭い場所で230メートルしか離れていない。気仙沼湾の入口に大島があることで
気仙沼市街地の対岸正面に位置する。三陸海岸に特徴的なリアス式海岸の一つ、気仙沼湾の入口にある。本土とは大島瀬戸によって隔てられ、最も狭い場所で230メートルしか離れていない。気仙沼湾の入口に大島があることで湾内は常に穏やかであり、気仙沼漁港は天然の良港となっているため、「気仙沼の防波堤」とも呼ばれている。ただし、2011年（平成23年）3月中旬に起きた東日本大震災の際は津波の規模が大きく、島自体と気仙沼市街も甚大な被害を受けた。
島の最高点は島の北部、本土対岸にある亀山（標高235m）である。亀山の頂上には希少な「緑の桜」（御衣黄）が自生し、鳴き砂海岸である十八鳴浜（くぐなりはま）など、自然が豊かな島である。作家の水上不二によって「大島よ永遠にみどりの真珠であれ」とたたえられた。
島の周囲には大前見島、小前見島、黒崎島といった無人島や岩礁がいくつかある。
