瀬戸内海式気候に属し、年間を通じて降水量が少なく、冬も晴れる日が多い。
標高721mの両子山をはじめとする両子火山群の峰々がそびえており、半島全体が円に近い火山地形である。丘陵地と谷が海岸に向かって放射状に伸びる。北部の海岸線は小さな入り江と岬が連続するリアス式海岸となっている。日本の秘境100選に選定されている。
また、江戸時代のキリスト教徒で、日本人として初めてエルサレムを訪れたペトロ・カスイ・岐部の出身地でもある。
かつて、大分交通国東線が杵築市の杵築駅から国東町(現・国東市)の国東駅までの間を結んでいたが、1966年に全廃された。
JR九州日豊本線が、半島の付け根を国道10号とほぼ併走している。
半島の付け根に沿って国道10号が通り、海岸線に沿って国道213号が通っている。内陸部は県道が整備されている。