Geografia Sarema jest największą estońską i czwartą co do wielkości wyspą BałtykuLicząc wyspy duńskie: Zelandię i Fionię. Według innych kryteriów geograficznych Sarema jest druga po Gotlandii.. Rozciągłość południkowa i równoleżnikowa wynosi około 90 km. Linia brzegowa wynosi 874 kilometrów. W południowo-zachodniej części wyspy w Zatokę Ryską wcina się długi na 30 kilometrów półwysep Sõrve. Wyspa zbudowana jest głównie z wapieni i dolomitów (kamieniołom koło Kaarmy), wydobywane są także piaski szklarskie. Licznie występują bagna. Topograficznie wyspa jest mało zróżnicowana, najwyższy punkt Viidu Raunamägi liczy zaledwie 54 m n.p.m.(od 1957 rezerwat przyrody). Najwyższe klify (Panga Pank) osiągają 21,3 m. Największymi jeziorami są odcięte zatoki Suur Laht i Mullutu Laht koło Kuressaare oraz Karujärv koło miejscowości Kärla. Podczas ostatniego zlodowacenia Sarema była przykryta czaszą lądolodu. Obecnie, na skutek ruchów glacizostatycznych, wyspa podnosi się o około 2 mm rocznie. thumb|200px|Jezioro w kraterze Kaali W pobliżu wioski Kaali znajduje się rezerwat geologiczny, obejmujący krater uderzeniowy Kaali. Ważący co najmniej 400 ton meteoryt uderzył z prędkością 10-20 km/s w dolomitową skałę. Wskutek uderzenia powstało kilka istniejących do dzisiaj kraterów.