Budowa geologiczna i rzeźba Wyspy Tokelau leżą na bazaltowych stożkach wulkanicznych, które pochodzą z kredy. Utwory te w okresie czwartorzędu zostały przykryte osadami wapiennymi, w wyniku czego uformowały się obecne wyspy. Atole koralowe składają się z pierścienia wysepek, które połączone są ze sobą rafą koralową. Wewnątrz znajduje się płytka laguna.
Wyspy są niskie, gdzie średnia wysokości wynosi 1–2 m n.p.m. i nie przekracza wartości 5 m n.p.m. Wszystkie wysepki są płaskie i pokryte płytkimi ubogimi glebami. Niewielka wysokość ponad poziom morza sprawia, że wyspy te mogą zniknąć pod wodą, w wyniku skutków globalnego ocieplenia.
300px|right|thumb|Laguna na Nukunonu
Klimat Wyspy leżą w strefie klimatu równikowego wilgotnego, który jest kształtowany przez południowo-wschodnie pasaty. Temperatury typowe dla obszarów równikowych wynoszą średnio 28 °C. Brak wartości ekstremalnych, a dobowe wahania są niewielkie. Temperatury łagodzone są przez wpływ oceanu (ciepłe prądy morskie) i przede wszystkim przez bryzę morską. Średnia roczna opadowa jest wysoka i wynosi od 3 000 do 4 500 mm. Brak pory suchej, opady są całoroczne, choć w półroczu zimowym intensywność opadów jest mniejsza. Wyspy Tokelau cechują się wysoką wilgotnością powietrza i nasłonecznieniem. Tokelau leży w regionie występowania tajfunów.