Il territorio del comune di Porto Cesareo ricade nella Terra d’Arneo, ovvero in quella parte della penisola salentina compresa nel versante ionico fra San Pietro in Bevagna e Torre dell’Inserraglio e che prende il nome da un antico casale, attestato in epoca normanna e poi abbandonato, localizzabile nell’entroterra a nord-ovest di Torre Lapillo. Particolare della Terra d’Arneo è la presenza di numerose masserie, molte delle quali fortificate.
Il territorio cesarino è caratterizzato da un lungo litorale connotato da distese di sabbia, dune ricche di vegetazione mediterranea, zone umide, scogli e isolotti, tra i quali rivestono particolare importanza l’Isola Grande, detta anche Isola dei Conigli ricoperta da una folta pineta di Pini d’Aleppo e di acacie, e l’Isola della Malva. Lo straordinario interesse biologico che conta la presenza di oltre 200 specie vegetali ha contribuito all’istituzione dell’Area naturale marina protetta di Porto Cesareo nel 1997. I fondali, particolarmente ricchi e tipici dei mari caldi di ambienti sub-tropicali, ospitano nelle zone sabbiose la cosiddetta prateria sommersa di Posidonia oceanica, una rarità biologica che garantisce ossigeno, rifugio e nutrimento a numerosi organismi marini, e nelle aree rocciose il coralligeno multicolore. La fauna marina è costituita da crostacei, molluschi, pesci variopinti e tartarughe.
Il territorio comunale confina a nord con i comuni tarantini di Manduria e Avetrana, a est e a sud con il comune di Nardò, a ovest con il mare Ionio.