Γεωλογικά η Θύμαινα ανήκει στην κυκλαδική ενότητα, και αποτελείται κυρίως από σχιστολιθικά πετρώματα στα χαμηλότερα μέρη και ασβεστολιθικά στα υψηλότερα. Η Πάπας ή Σημαία είναι η υψηλότερη κορυφή του νησιού με υψόμετρο 470 μ.
Η νότια πλευρά του νησιού είναι πολύ απόκρημνη δημιουργώντας επιβλητικούς γκρεμούς και μεγάλα βάθη κοντά στην ακτή. Οι ανατολικές ακτές είναι πιο ήπιες σε κλίση και για αυτό τον λόγο είναι το τμήμα του νησιού με τις περισσότερες παραλίες.
Οι ασβεστολιθικοί όγκοι ευνόησαν την δημιουργία καταβόθρων και σπηλαίων πολλά από τα οποία παραμένουν ακόμα ανεξερεύνητα.
Το κλίμα της Θύμαινας είναι παράκτιο μεσογειακό και χαρακτηρίζεται από ζεστά, ξηρά καλοκαίρια με έντονη ηλιοφάνεια και δροσερούς και υγρούς χειμώνες με μέτριες βροχοπτώσεις. Το καλοκαίρι κυρίως τους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο το νησί δέχεται ισχυρά μελτέμια.