Η Κεφαλονιά είναι το μεγαλύτερο νησί της περιφερειακής ενότητας, με έκταση 773 km2 (300 mi2) και πυκνότητα πληθυσμού 55 ατόμων ανά km2 (140/mi2). Το Αργοστόλι φιλοξενεί το ένα τρίτο του πληθυσμού του νησιού. Το Ληξούρι είναι η δεύτερη μεγαλύτερη πόλη του νομού και οι δύο πόλεις μαζί αντιπροσωπεύουν περίπου τα δύο τρίτα του πληθυσμού του νομού.
Το νησί Πεταλάς και ο Αστέρης είναι τα δύο μεγάλα νησιά, ωστόσο είναι έρημα.
Η Κεφαλονιά βρίσκεται σε ζώνη σεισμού και κάθε χρόνο σημειώνονται εκατοντάδες μικροσκοπικές, μη καταγεγραμμένες δονήσεις. Ένας μεγάλος σεισμός κατέστρεψε σχεδόν όλα τα χωριά του νησιού το 1953, αφήνοντας αλώβητο μόνο το Φισκάρδο στα βόρεια.
Αξιοσημείωτα φυσικά χαρακτηριστικά είναι και η λίμνη Μελισσάνη, τα σπήλαια Δρογκαράτης και η λιμνοθάλασσα του Κουτάβου κοντά στο Αργοστόλι.
Το νησί μπορεί να υπερηφανεύεται για μια ποικιλόμορφη βιοποικιλότητα, συμπεριλαμβανομένων πολλών αυτόχθονων και ασυνήθιστων ειδών. Ορισμένες τοποθεσίες έχουν χαρακτηριστεί ως τοποθεσίες Natura 2000 από την Ευρωπαϊκή Ένωση.
Το όρος Αίνος, με ύψος 1628 μέτρα, είναι το ψηλότερο σημείο του νησιού. δυτικά-βορειοδυτικά βρίσκονται τα βουνά Παλική, που περιλαμβάνουν το Ληξούρι, καθώς και τα Γεράνεια (Γερανία) και την Αγία Δυνάτη. Η κορυφή του όρους Αίνος είναι ένα φυσικό πάρκο με έλατα.
Η δασοκομία είναι ασυνήθιστη στο νησί, αν και η ξυλεία της είναι από τις μεγαλύτερες στα νησιά του Ιονίου, αλλά μικρότερη από αυτή της Ελιάς στην Πελοπόννησο. Οι δασικές πυρκαγιές επικρατούσαν στη δεκαετία του 1990 και στις αρχές της δεκαετίας του 2000 και συνεχίζουν να αποτελούν σημαντικό κίνδυνο για τους ανθρώπους.
Πανίδα
Η Κεφαλονιά είναι γνωστή για τον απειλούμενο πληθυσμό της χελώνας καρέτα καρέτα, που φωλιάζει σε πολλές παραλίες γύρω από τη νότια ακτή του νησιού. Μια μικροσκοπική αποικία της απειλούμενης μεσογειακής φώκιας Monachus monachus, ζει επίσης κατά μήκος της ακτής του νησιού, ιδιαίτερα σε περιοχές της ακτής που είναι απρόσιτες για τους ανθρώπους λόγω της τοπογραφίας. Οι σπηλιές κατά μήκος αυτής της ακτής είναι εξαιρετικά μέρη για να γεννήσουν οι φώκιες τα κουτάβια τους και να τα θηλάσουν για τους πρώτους μήνες της ζωής τους.
Το νησί είναι γνωστό ότι φιλοξενεί το ευρωπαϊκό κουνάβι πεύκου.
Πάνω από 200 είδη πουλιών έχουν παρατηρηθεί στο νησί.