Santa Cruz se encuentra ubicada en el extremo sur del territorio americano emergido, perteneciente a la región patagónica. Limita al norte con la provincia de Chubut; al este con el océano Atlántico, y al oeste y al sur con la República de Chile.

Con 42.880 habitantes en 1947 y 114.941 en 1980, la actual población de 159.839 indica que el número de habitantes se ha triplicado en las últimas cinco décadas. Un 49,9 por ciento de la población se concentra en la capital, Río Gallegos. La densidad demográfica es de 0,7 habitantes por kilómetro cuadrado, y la tasa anual de crecimiento es de 31,8 por ciento.

El territorio comprende dos zonas bien definidas: la cordillerana, al oeste, y la de las mesetas, en el centro y el este. En la cordillera de los Andes, apoyo del límite con Chile, se levantan cumbres como el Fitz Roy, de 3.405 metros, y el cerro Agassiz, de 3.180 metros. En ella se encuentran numerosos lagos, como el Buenos Aires, el Pueyrredón, el San Martín, el Viedma y el Argentino.

Una característica de la región cordillerana es el gran desarrollo glaciario y los campos de hielo continental, que cubren, como una coraza blanca, la parte central de la cordillera. Precisamente, más de 2.000 kilómetros cuadrados de uno de estos campos de hielo se encuentran en territorio provincial. De él se desprenden inmensos glaciares, como el Viedma, que termina en el lago del mismo nombre; el Upsala y el Perito Moreno. Este último se hunde en el Lago Argentino. Tiene un frente de 5 kilómetros y su altura alcanza los 60 metros.

Al este de la zona cordillerana predominan los relieves amesetados, como la gran meseta central. También se levantan algunos cerros aislados y algunas zonas deprimidas, denominadas bajos, como el gran bajo de San Julián, que alcanza los 105 metros bajo el nivel del mar y constituye la mayor depresión del país. La meseta termina en la costa Atlántica, con un elevado acantilado que sólo interrumpen las desembocaduras de los grandes ríos, que nacen en la cordillera y desaguan en los lagos.

Los principales ríos, que corren en dirección oeste-este, son el Deseado, el Chico, el Santa Cruz, el Coig y el Gallegos. El Deseado atraviesa la Patagonia extra andina con su amplio valle y desemboca en un estuario muy apto para la construcción portuaria. El río Chico nace en la meseta de la Muerte, bordea por el sur a la meseta central, bifurcándose en varios brazos, y desemboca en un estuario al cual confluye el río Santa Cruz. Este último es emisario de los lagos Viedma y Argentino, receptores de los deshielos del gran campo glaciario comprendido entre los cerros Fitz Roy y Stokes. El río Gallegos se origina con el nombre de Turbio y recorre la zona carbonífera homónima.

Según la región, el clima es frío y seco en el centro y en el este de la provincia santacruceña, con rasgos de aridez y vegetación esteparia, mientas que es frío y húmedo en la zona cordillerana.