Øya faller naturlig i to deler, det kuperte høylandet i sør og lavlandet i nord. Høylandets mest karakteristiske parti er Miseryfjellet i sørøst med tre topper: Urd, Verdande og Skuld. Urd (536 meter over havet) er øyas høyeste punkt.

Lavlandet, som omfatter omkring to tredjedeler av arealet, er et bølgende slettelandskap 30–40 meter over havet med omkring 740 større og mindre vann spredt utover. Mange av disse er svært grunne, bare 10–15 av dem er dypere enn tre meter. Ellasjøen i den sørlige delen av øya er den dypeste, ned mot 35 meter. Innsjøene er isfrie 3–4 måneder i året. Kysten er brattlendt og utilgjengelig, bortsett fra noen få bukter. Den eneste havna av betydning er Sørhavna, som er en god ankerplass bortsett fra når det blåser fra sør.

Bergartene i sør tilhører gamle eokambrisk-ordoviciske formasjoner (Hecla Hoek), lenger nord finnes lag fra devon- og karbontidene. Det er et innslag av triaslag i Miseryfjellet. Bergartene er fossilførende. I Hecla Hoek-formasjonene finnes noen små forekomster av blyglans (prøvedrift i 1925–1930). Devon-lagene inneholder kull, som var gjenstand for regulær gruvedrift i årene 1916–1925. A/S Bjørnøen, som eide kullfeltet, eksporterte i dette tidsrommet 116 094 tonn.

Klimaet er maritimt arktisk og forholdsvis mildt, breddegraden tatt i betraktning. For årene 1961—1990 var middeltemperaturen for varmeste måned (august) 4,4 °C, for kaldeste måned (januar) −8,1 °C. De siste årene har imidlertid den gjennomsnittlige månedstemperaturen ligget til dels betydelig over normalen hver måned. Hyppigheten av tåke i sommermånedene er stor. Breer finnes ikke, men mindre snøfonner kan bli liggende sommeren over.

Nedbørsmengden er beskjeden, med et gjennomsnitt på 371 millimeter i året i det nordlige lavlandet. Også nedbøren har økt de siste årene, med totalt 506,3 millimeter i mai–april i 2018–2019.

Mørketiden varer fra 8. november til 3. februar. Perioden med midnattssol er fra 2. mai til 11. august.

Plante- og dyrelivet har arktisk preg og er relativt artsfattig, også sammenlignet med andre deler av Svalbard. Dette skyldes blant annet begrenset variasjon i egnede vekstområder. Foruten de dominerende forekomstene av moser og lav finnes snaue 60 forskjellige arter karplanter, mot cirka 170 for Svalbard som helhet. Trær og busker finnes ikke, og vegetasjonen er best utviklet ved de store fuglefjellene i sør, takket være den naturlige gjødslingen fra fugler. På toppen av fuglefjellene finnes det torvavsetninger som er unike for Svalbard og som er et resultat av årtusener med gjødsling fra fugler. På det meste er avsetningene fem meter dype og 8700 år gamle. Mye av det indre av øya er steinet og nærmest uten vegetasjon bortsett fra spredte enkeltforekomster.

Bjørnøyas fauna er dominert av store mengder sjøfugler, som alkefugler, krykkje og havhest, som hekker om sommeren i de stupbratte fjellveggene ut mot havet. Spesielt kjent er Fuglefjellet ved sørspissen av øya. Hekkekoloniene på øya er blant de største på den nordlige halvkule, og flere av bestandene har verneverdi på internasjonalt nivå. Bjørnøya er også et nøkkelområde for sjøfugler og for gjess under trekk. Fuglelivet er blitt fulgt av forskere gjennom mange år, og sommeren 2006 ble det totalt kartlagt. Snøspurv er eneste vanlige spurvefugl. Ryper finnes også sporadisk. Fjellreven var vanlig på øya, men ble borte i noen år før den nå er tilbake. Det finnes ynglende par på øya, men antallet er ukjent.

På grunn av øyas isolerte beliggenhet er det få bunndyr, insekter og plankton i innsjøene, og eneste fiskeart i innsjøene er svalbardrøye, som finnes i rundt 20 vann. Røya kan bli nærmere 30 år gammel og nå en vekt på 2–3 kilogram, men disse er sjeldne. Fiske er strengt regulert og det er kun besetningen på den meteorologiske stasjonen som får drive noe rekreasjonsfiske etter bestemte retningslinjer.

Bjørnøya påvirkes av langtransportert luftforurensning slik at sjøfuglene og svalbardrøya har urovekkende høyt innhold av organiske miljøgifter.

Siden midten av 1920-årene har det til sine tider foregått et rikt fiske etter torsk og kveite på bankene rundt Bjørnøya. Det har også vært drevet hvalfangst, med fast landstasjon i årene 1905–1908. Som følge av havoppvarming har det på 2000-tallet vært påvist blåskjell ved øya.

Bjørnøya ble oppdaget av den nederlandske sjøfareren Willem Barentsz i 1596. Rike forekomster av hvalross og hval trakk fangstfolk nordover. Engelskmenn som kom til øya i 1604 kalte den Cherrie Island. Det var en del russisk fangstvirksomhet med faste landstasjoner på 1700-tallet. Fangstfolkene etterlot spekkovner, tufter og graver. Norsk fangstvirksomhet tok til omkring 1822. Den eldste bevarte fangsthytta er Hammerfesthytta fra 1822. I 1865 ble «Tobiesen-huset» bygget inntil hytta for å huse Sivert Kristian Tobiesens syv-manns fangstekspedisjon. Dette huset var opprinnelig større enn det som ses i dag.

Bjørnøya ble underlagt norsk statsoverhøyhet 14. august 1925. En radio- og meteorologisk stasjon har vært i drift siden 1918. Stasjonen Tunheim ligger på nordsiden av øya. Under andre verdenskrig ble stasjonen ødelagt av de allierte under evakueringen sommeren 1941, for at tyskerne ikke skulle kunne dra nytte av den. En ny stasjon ble oppført etter krigen ved Herwighamna, om lag 7,5 kilometer nordvest for den gamle stasjonen, og tatt i bruk sommeren 1947. Stasjonen ble sist utvidet i 1994 og bemannes av ni ansatte. Den gamle radiostasjonshytta ved Herwighamna ble i 2019 satt i stand med en liten historisk utstilling i samarbeid med Svalbard museum i Longyearbyen.

Flere stater gjorde krav på rettigheter på Bjørnøya. Den norske stat utløste i 1925 tyske krav på 200 000 kroner og i 1927 et privat russisk krav på 18 000 pund. I 1921 kom en russisk ekspedisjon til Bjørnøya, øyensynlig i den hensikt å foreta en anneksjon, men gjorde vendereis da de fant kullgruveanlegget Bjørnøen A/S i virksomhet. Da Sovjetunionen i 1924 anerkjente Norges suverenitet over Svalbard, ble Bjørnøya uttrykkelig innbefattet. Anerkjennelsen ble bekreftet da Sovjetunionen i 1935 tiltrådte Svalbardtraktaten.

Siden høsten 1996 har Bjørnøya radio vært styrt via satellitt fra Telenor Maritim Radios stasjon ved Bodø radio.

Årlig antall besøkende er rundt 200–300 personer. Flertallet går i land i Herwighamna, et fåtall i Kvalrossbukta, Sørhamna og Russehamna.

På 2000-tallet er det dokumentert uregistrert fiske i farvannet omkring Bjørnøya.

Bjørnøya ble fredet som naturreservat 16. august 2002. Vernet omfatter hele Bjørnøya, inklusive de marine områdene ut til tolv nautiske mil. Området dekker 177 kvadratkilometer landareal (med ferskvann) og 2805 kvadratkilometer av havområdene rundt øya. 1200 dekar omkring den meteorologiske stasjonen nord på øya er unntatt. Kulturminnene er vernet som en del av naturreservatet. I 2000 ble det etablert tre områder med ferdselsforbud i en tidsavgrenset periode av sommeren.

• Barentshavet
• Svalbard
• Svalbardtraktaten
• Svalbards historie
• Dyreliv på Svalbard
• Norges geografi

• Hagenæs-Kjelldahl, Dag (2012): Døden på Bjørnøya, Oslo
• Hagenæs-Kjelldahl, Dag (1973): Bjørnøya – På utpost i Ishavet, Oslo
• Hoel Adolf; Kvalheim, A.; Schive, Claus (1918): Bjørnøya, Kristiania
• Hoel, Adolf (1967): Svalbard, bind 3, 1341–1437
• Horn, Gunnar & Orvin, Anders K. (1928): Geology of Bear Island [...], (bibliografi: 145–152)
• Ottar nr. 5/2004: Bjørnøya – Historie, natur og forskning. Tromsø Museum – Universitetsmuseet, nummer 253.
• Norsk Polarinstitutt (1942): The Place Names of Svalbard