La commune s'étend sur la partie nord de l'île de Noirmoutier, formée par un îlot rocheux (autrefois dénommé : « île d'Her »), séparée du reste de l'île actuelle par des marais salants.

Le bourg, véritable « capitale » de l'île de Noirmoutier, est bâti sur le côté sud-est de cet îlot, donnant sur la baie de Bourgneuf. Le port du Boucaud (« port écluse » ou « port canal ») sépare les zones urbanisées des marais salants.

À l'est, le polder du Müllembourg (devenu réserve ornithologique) est limité dans sa partie méridionale par la jetée Jacobsen, longue de 1,5 km. Au nord-est, s'étend le bois de la Chaize.

Une grande partie nord-ouest du territoire de la commune est occupé de champs voués essentiellement à la culture maraichère, et notamment une variété de pomme de terre, la fameuse bonnotte de Noirmoutier.

Le territoire de la commune s'étend également sur quelques îles et récifs environnants, comme l'île du Pilier au nord-ouest.

De plus, deux bourgs sont intégrés à Noirmoutier-en-l'Île :

L'Herbaudière qui se trouve sur la côte nord-ouest de l'île, face à l'océan Atlantique, et dont l'activité portuaire en fait le deuxième port de pêche du département[réf. nécessaire], géré par la Chambre de commerce et d'industrie de la Vendée. Cette situation géographique excentrée par rapport au bourg et le poids économique du village, incite de temps à autre ses habitants à réclamer la constitution d'une commune indépendante.
Le Vieil situé sur la côte nord de l'île, est un hameau typique constitué de maisons vendéennes traditionnelles bordant des ruelles étroites, et qui en été devient un lieu de villégiature prisé par les vacanciers. Un inventeur nantais, Brutus Villeroi, y fit le premier essai de sous-marin français le 12 août 1832. Une rue du Vieil porte son nom.
Le territoire municipal de Noirmoutier-en-l’Île s’étend sur 1 997 hectares. L’altitude moyenne de la commune est de 4 mètres, avec des niveaux fluctuant entre 0 et 20 mètres