Rytinį valstijos pakraštį užima pajūrio žemuma, užsibaigianti smėlio paplūdimiais. Vakaruose paviršius kyla įBrazilijos plokščiakalnį. Espiritu Sante (Kaparao kalnuose) yra aukščiausia šio plokščiakalnio ir trečia pagal aukštį visos šalies vieta –Bandeiros kalnas (2890 m). Valstijos upės gan neilgos, tekančios iš kalnų link vandenyno (Dosė,San Mateušas,Itapemirinas). Upėse gausu slenksčių ir krioklių. Dosės slėnyje yra upinių ežerų grupė, iš jų didžiausias ežeras – Župarana.
Klimatas tropinis, jūrinis; būdingos lietingos vasaros ir sausos žiemos. Į šiaurę nuo Dosės slėnio klimatas karštesnis ir sausesnis. Kalnuose kritulių ir temperatūros pasiskirstymas įvairiuoja, bet ten vidutiniškai vėsiau negu pakrantėje.
Espirito Santo valstijai priklauso grupė nutolusių salų Atlanto vandenyne –Trindadas ir Martin Vazas.
