Le relief est peu important et les îles sont relativement planes : le point culminant de l'archipel, à 26 mètres au-dessus du niveau de la mer, se trouve à l'emplacement du fort royal de l'île Sainte-Marguerite, situé au sommet d'une falaise abrupte qui surplombe la majorité du littoral. Les îles sont composées de roches calcaires de l'ère secondaire et sont classées comme îles continentales. Géologiquement, l'île Sainte-Marguerite ne possède pas de sources d'eau douce ni de puits naturels, ce qui la rendait théoriquement inhabitable à long terme, mais les Romains y ont construit d'immenses citernes pour recueillir et préserver l'eau de pluie, dispositifs visibles au rez-de-chaussée du musée de la Mer. L'île Sainte-Marguerite, avec une superficie de 170 hectares pour 3,2 kilomètres de longueur et une largeur maximale de 900 mètres, possède un périmètre de 8 kilomètres et est presque intégralement recouverte par une forêt de pins et d'eucalyptus. L'île Saint-Honorat, près de six fois plus petite, s'étend sur 37 hectares, avec une longueur de 1500 mètres pour 400 mètres de largeur et 3 kilomètres de côtes; elle est recouverte par les champs du monastère et boisée de pins maritimes et de pins parasols.

Le climat de l'archipel est de type méditerranéen, caractérisé par des hivers doux, des étés chauds, un fort ensoleillement et peu de précipitations, mais souvent d'une grande intensité. Les données de la station météorologique du sémaphore de la Garoupe, située au sommet du cap d'Antibes à 82 mètres d'altitude, indiquent une température moyenne annuelle de 15,6 °C sur la période 1961-1990, avec des maximales moyennes annuelles de 19,3 °C et des minimales moyennes annuelles de 11,8 °C, l'amplitude thermique annuelle étant faible. Les précipitations annuelles moyennes sont estimées à 778 millimètres, inégalement réparties avec peu de pluies durant l'été et d'importantes précipitations durant l'automne, les épisodes pluvieux étant généralement intenses, comme l'atteste le record de 218,2 millimètres en 24 heures enregistré le 13 octobre 1973. L'ensoleillement est exceptionnel, avec un cumul annuel moyen de 2 668 heures sur la période 1991-2000 à la station de Nice, et 142 jours de fort ensoleillement. Les vents touchent régulièrement les îles, les plus fréquents étant ceux du sud (le Sirocco), de l'est (le Levant) et de l'ouest (le Mistral). Le croisement des données de températures et de pluviométrie met en évidence une période de sécheresse durant les mois de juin, juillet et août, la période estivale étant celle où le déficit hydrique est maximal.

L'archipel se caractérise par une grande richesse floristique et faunistique, avec 24 espèces animales d'intérêt patrimonial recensées, dont 10 sont déterminantes. Le couvert végétal de l'île Sainte-Marguerite est essentiellement composé d'une futaie de pins d'Alep couvrant un maquis dont la composition floristique et la diversité varient en fonction de la nature du sol et de la xérophilie, tandis que l'île Saint-Honorat, plus marquée par l'action humaine, présente des peuplements similaires pour la végétation laissée à l'état sauvage. Les formations végétales littorales sont très bien conservées, avec en particulier les derniers peuplements significatifs du Lis de mer (Pancratium maritimum) et les derniers individus de la grande graminée Imperata cylindrica du département des Alpes-Maritimes. Concernant la faune, les mammifères d'intérêt patrimonial comprennent le Dauphin souffleur (Tursiops truncatus), espèce grégaire déterminante de cétacés présente aussi bien en haute mer que près des côtes à de faibles profondeurs, ainsi que la Noctule de Leisler (Nyctalus leisleri), espèce remarquable arboricole et forestière, et le Vespère de Savi (Hypsugo savii), espèce remarquable rupicole et montagnarde d'affinité méridionale. 

L'avifaune nicheuse ou probablement nicheuse locale comprend la Sterne pierregarin (Sterna hirundo), espèce déterminante localisée liée aux milieux aquatiques et littoraux, dont une cinquantaine de couples niche sur l'archipel, le Petit duc scops (Otus scops), espèce remarquable d'affinité méridionale, et le Martinet pâle (Apus pallidus), nicheur possible, espèce remarquable plutôt littorale et d'affinité méditerranéenne. L'archipel constitue également un site intéressant pour la halte de flamants roses (Phoenicopterus ruber), de Chevaliers gambettes (Tringa totanus) et de Petits Gravelots (Charadrius dubius). Parmi les reptiles patrimoniaux, deux espèces déterminantes sont présentes : le Phyllodactyle d'Europe (Euleptes europaea), découvert en 2011 sur les îlots satellites, et la Tortue d'Hermann (Testudo hermanni), rare et localisée en France, dont la présence est due à une introduction. Les arthropodes patrimoniaux incluent le Charançon Simo schoenheri, espèce déterminante endémique du littoral varois et des Alpes-Maritimes, la Punaise Alloeorhynchus putoni, espèce prédatrice déterminante d'hémiptères nabidés très localisée en France, et la Coccidiphage (Eublemma scitula), espèce remarquable de lépidoptères localisée sur le littoral méditerranéen. Le peuplement de crustacés isopodes présente un très grand intérêt grâce à la présence de sept espèces patrimoniales, dont Platyarthrus lerinensis, espèce déterminante endémique de quelques îles méditerranéennes.

La réserve ornithologique de l'étang de Batéguier, sur l'île Sainte-Marguerite, classée réserve biologique depuis 2002, permet d'observer des sternes pierregarins, des goélands leucophées, des hérons cendrés, des échasses blanches et des pluviers argentés au plumage nuptial. Les eaux environnantes abritent de vastes herbiers de posidonies avec des faciès diversifiés et complexes, ainsi que des tombants de coralligène remarquables, notamment au sud (balise des moines) et à l'est (tombant de Saint-Ferréol) de la zone. Plusieurs espèces déterminantes y sont présentes, dont Posidonia oceanica, Cymodocea nodosa, Pinna nobilis et Epinephelus marginatus, et l'archipel est inclus dans le site Natura 2000 FR9301573"Baie et Cap d'Antibes - îles de Lérins". La présence de l'algue invasive Caulerpa taxifolia a été signalée en différents points de la zone, surtout abondante entre les deux îles.

Le nom de l'archipel viendrait du latin Lerina, nom de l'île principale dans l'Antiquité, probablement dérivé d'un ancien culte ligure rendu à un demi-dieu nommé Lerôn. Les deux îles ont connu des histoires parallèles mais distinctes : Saint-Honorat est célèbre pour son abbaye fondée au V^e siècle, tandis que Sainte-Marguerite se signale par son fort Royal et ses prisons d'État, dont la plus célèbre a détenu l'Homme au masque de fer.

L'histoire de l'île Saint-Honorat commence au début du V^e siècle avec saint Honorat, un noble gallo-romain converti au christianisme dès l'adolescence. Attiré par l'idéal monastique, il part avec son frère Venance vers l'Orient pour rejoindre les sources du monachisme, mais après la mort de Venance en Grèce, il revient en Provence avec son compagnon Caprais. Entre 400 et 410, il s'installe sur l'île de Lérina, qui porte aujourd'hui son nom, et y fonde une communauté cénobitique avec la bénédiction de l'évêque de Fréjus, Léonce. Selon la légende, l'île était infestée de serpents qu'Honorat aurait chassés avant d'y établir les moines. Dès 427, la communauté est déjà décrite comme un "immense monastère" par Jean Cassien, et la vie monastique instaurée par Honorat est codifiée dans la Règle des Quatre Pères, la première du genre en Gaule. Le rayonnement de Lérins est tel qu'il forme de nombreuses figures majeures de l'Église : saint Hilaire et saint Césaire d'Arles, saint Eucher de Lyon, saint Maxime et saint Fauste de Riez, ainsi que Vincent de Lérins, dont l'influence théologique perdure jusqu'au concile Vatican II. En 428, Honorat quitte l'île pour devenir évêque d'Arles, où il meurt en 430.

L'histoire de l'abbaye est marquée par de multiples interruptions et renaissances. Entre le VII^e et le XI^e siècle, elle subit de nombreuses invasions, notamment des Sarrasins et des pirates, qui entraînent des destructions répétées et la construction d'une tour fortifiée destinée à protéger les moines. Au VIII^e siècle, l'abbaye est abandonnée au profit d'un établissement sarrasin, avant un repeuplement monastique à l'époque carolingienne, puis un nouvel abandon à la fin du IX^e siècle face aux invasions sarrasines. Lérins ne se relève véritablement qu'à la fin du X^e siècle, dans le contexte de la reconquête chrétienne, d'abord comme dépendance de Marmoutiers, puis dans le cadre d'un repeuplement sous l'autorité de Cluny. 

À partir du XI^e siècle, grâce à de nombreuses donations de l'aristocratie féodale, l'abbaye constitue un important patrimoine en Provence, avec seigneuries, terres et églises, et son rayonnement s'étend bien au-delà de la région. C'est à cette époque que les moines édifient un ensemble abbatial à églises doubles et construisent une tour, première étape du monastère fortifié qui polarisera la vie monastique à la fin du Moyen Âge. À partir du XV^e siècle, les moines abandonnent les constructions situées à l'emplacement de l'actuel monastère pour s'installer en permanence dans la tour, qui devient un véritable monastère vertical contenant cloître, réfectoire, église et cellules. 

Au début du XVI^e siècle, l'abbaye connaît une nouvelle période de prospérité lorsqu'elle est rattachée à la congrégation bénédictine réformée de Sainte-Justine de Padoue, ce qui se traduit par un renouveau de la vie intellectuelle et la naissance d'une historiographie lérinienne avec le moine Vincent Barralis. Le milieu du XVIIe siècle marque le début d'un déclin avec le rétablissement de la commende, qui aboutit à la fermeture de l'abbaye en 1788 par la commission royale des réguliers. En 1791, le site est vendu comme bien national et reste abandonné pendant plus d'un demi-siècle. En 1859, l'évêque de Fréjus rachète l'île et en confie la gestion à des moines cisterciens venant de l'abbaye de Sénanque, qui restaurent les bâtiments et relancent la vie monastique. Aujourd'hui, une communauté d'une vingtaine de moines cisterciens vit toujours sur l'île, produisant vin, liqueurs et huile d'olive, et accueillant des personnes se retirant pendant quelque temps du monde.

L'histoire de l'île Sainte-Marguerite est davantage marquée par sa vocation militaire et pénitentiaire. L'île est d'abord occupée par une population ligure dont les premières traces remontent au VI^e siècle av. JC, avant d'être chassée par les Romains. Les fouilles archéologiques ont révélé d'importants vestiges romains : maisons, peintures murales, mosaïques, céramiques datées du III^e siècle av. JC au I^er siècle de notre ère, ainsi que les fondations d'un port et des épaves, prouvant que les navires romains faisaient escale à Lero. Pline l'Ancien mentionne une cité romaine comprenant un port. Au V^e siècle, selon une tradition, Marguerite, sœur de saint Honorat, aurait dirigé une communauté de religieuses sur l'île, mais cette légende est sans fondement historique : saint Honorat n'a pas eu de soeur connue, et sainte Marguerite était une martyre d'Antioche sans lien avec lui.

L'île est ensuite fortifiée à plusieurs reprises : une première fortification est remplacée par un château médiéval, puis les Espagnols débarquent en 1524 et reviennent en 1535 pour édifier de nouvelles fortifications. En 1617, le duc de Guise charge Jean de Bellon de construire un fort destiné à verrouiller l'accès à Cannes, édifié de 1624 à 1627. Pendant la guerre de Trente Ans, les Espagnols occupent les îles de 1635 à 1637 et renforcent le fort, avant que les Français ne reprennent les îles en 1637 et donnent à la citadelle le nom de fort Royal. En 1682, Vauban propose des modifications qui seront appliquées par l'ingénieur Niquet, donnant au fort son aspect actuel : un pentagone bastionné irrégulier avec trois fronts côté terre, des fossés secs, des demi-lunes et une place d'armes. Dès le XVII^e siècle, il est décidé d'installer une prison d'État dans le fort : en 1687, le gouverneur Saint-Mars fait construire un bâtiment de pierre abritant six cellules sur l'à-pic rocheux surplombant la mer.

La prison du fort Royal est restée célèbre pour avoir détenu l'Homme au masque de fer, prisonnier mystérieux dont l'identité n'a jamais été établie. Selon une gazette de 1687, le prisonnier aurait été transféré dans la citadelle de Sainte-Marguerite sous la garde de Bénigne de Saint-Mars, ancien mousquetaire. En 1698, Saint-Mars, nommé gouverneur de la Bastille, emmène son prisonnier à Paris; dans ses mémoires, un agent de la Bastille décrit l'arrivée d'un homme "toujours masqué et dont le nom n'est jamais prononcé". En 1703, la dépouille d'un homme d'une cinquantaine d'années est enterrée au cimetière Saint-Paul de Paris, ses effets personnels brûlés et les murs de sa cellule raclés et blanchis à la chaux. L'affaire a nourri d'innombrables spéculations : Voltaire, dans Le Siècle de Louis XIV, affirme que le prisonnier était traité avec des égards extraordinaires, qu'on faisait de la musique dans sa cellule et que "son plus grand goût était pour le linge d'une fine finesse extraordinaire et pour les dentelles". Selon les récits, le prisonnier portait un masque de velours plutôt que de fer, et le gouverneur lui-même le servait, enlevant son linge. Après la mort du Masque de fer, la prison d'État de Sainte-Marguerite continua de recevoir des prisonniers : après la révocation de l'édit de Nantes, des ministres protestants y furent enfermés; Lagrange-Chancel, après la publication de ses Philippiques, y fut envoyé par le régent; plus tard, des jeunes gens de famille y furent détenus sur lettres de cachet. 

Sous l'Empire, quelques personnages distingués y furent exilés, notamment M. Omer de Talon en 1803, la duchesse d'Escars vers 1807 et M. de Broglie, évêque de Gand, en 1812. Sous la Restauration, de 1817 à 1821, le fort accueillit deux cents Égyptiens, hommes, femmes et enfants, libérés au bout de deux ans et demi. À partir de 1844, en vertu d'un arrêté du ministre de la guerre, les Arabes appartenant aux tribus insoumises d'Algérie furent dirigés sur l'île Sainte-Marguerite : le cheikh Sadik-ben-Mochnach et le fameux Ali-ben-Aïssa, ancien bach-hambah de Constantine, y furent détenus. La smala de l'émir Abd el-Kader y fut incarcérée à partir de 1848, et l'île servit de lieu de détention pour les condamnés provenant d'Algérie entre le début des années 1840 et le milieu des années 1880. Le maréchal Bazaine y fut détenu durant huit mois en 1873 et s'en évada de manière spectaculaire.

Aujourd'hui, les îles de Lérins sont devenues des destinations touristiques et culturelles majeures de la Côte d'Azur. L'île Sainte-Marguerite, propriété de l'État et domaine protégé, accueille environ vingt habitants permanents et le fort Royal abrite le Musée de la Mer, qui présente des collections d'archéologie terrestre et sous-marine, ainsi que la cellule du Masque de fer et celles des pasteurs protestants. Le Grand Jardin, unique propriété privée de Sainte-Marguerite, est un jardin botanique de près de 14.000 m² cultivé depuis des siècles, où l'on trouve cyprès, cèdres du Liban et diverses essences méditerranéennes. L'île Saint-Honorat, toujours habitée par la communauté cistercienne, est un lieu de pèlerinage et de retraite; la tour-monastère, classée monument historique depuis 1840, est un monument atypique qui a fait l'objet de campagnes de restauration, la plus récente ayant débuté en juillet 2020. Les moines produisent du vin et des liqueurs réputés ainsi que de l'huile d'olive, et l'abbaye demeure un sanctuaire de silence et de méditation où l'histoire millénaire se mêle à une foi toujours vivante.