Salpicado de pequeñas colinas onduladas (<16 msnm) y farallones que amenizan el paisaje, Cayo Santa María presenta una configuración alargada y estrecha (poco más de 13 km de largo y 1,6 km en su porción más ancha) dispuesta de este a oeste. Su costa norte posee extensas playas (algo más de 10 km) de fina arena blanca y aguas cristalinas aterciopeladas de sorprendentes tonos verdeazules rodeadas por una infraestructura hotelera armónicamente integrada al entorno que lo han convertido en uno de los principales polos turísticos del país caribeño. El sur, sin embargo, está ocupado por manglares y marismas, formando varias ensenadas (La Oliva, Pelo de Oro y Santa María). Sus puntos extremos son Punta del Este de Santa María (Este y Sur), Punta Matamoros (Oeste) y Punta Madruguilla (Norte).

Aun cuando sus playas se encuentran interrumpidas por acantilados rocosos de baja altura (farallones) que realzan su belleza, sus fondos arenosos y aguas turquesas de incomparable transparencia conforman un todo continuo desde playa Cañón, en el extremo oeste, hasta el canal de acceso a la ensenada de Santa María por Cayo Ballenatos. Sus dunas, por otro lado, llegan a alcanzar cotas cercanas a los 7 msnm en la playa Los Delfines, sirviendo de mirador natural sobre la vegetación circundante. Dada su reciente formación y mayor altura relativa, las playas de la región oriental del cayo son en muchos casos todavía inestables, desapareciendo y reapareciendo al calor del inquieto oleaje que les asecha casi todo el año. Especial interés posee, no obstante, la playa Las Gaviotas perteneciente al Refugio de Fauna Cayo Santa María debido a su particular aislamiento de la infraestructura hotelera, su ambiente sosegado, poca profundidad y mar excepcionalmente calmo que la convierten en una piscina de proporciones dantescas a la que se accede por un ameno sendero entre la floresta.