Patagonija je većim svojim delom prostrana ravnica poputstepe, koja se postepeno uzdiže terasama viokim oko 100 metara, a pokrivena je šljunkom i gotovo bez vegetacije. U udubljenjima ravnice nalaze se jezera i jezerca s slankastom i svežom vodom. Prema Andima šljunak ustupa mestoporfirnoj,granitnoj ibazaltnoj lavi, životinjski svet je bogatiji, aflora ima karakteristike zapadne obale, a čine je uglavnombukve ičetinari.
Među depresijama, koje poprečno presecaju plato, najznačajnije suGvaliču, južno odRio Negra,Makinčao iValčeta (koja je nekad bila jezeroNauel Uapi, a danas njome teče reka Limaj);Senguer, i rekaDeseado. Pored ovih poprečnih depresija (od kojih neke označavaju liniju stare međuokeanske komunikacije), postoje i druge koje su popunjene većim i manjim jezerima, kao što su jezeraJagagto,Musters,Kolue Uapi, i druga koja se nalaze južno od Puerto Deseada, u središtu područja. U centralnom regionu vulkanske erupcije, koje se dešavaju od periodaTercijara do danas, prekrile su veliki deo kupama bazaltne lave, a na zapadnoj trećini se nalaze naslage leda ispod lave. U kontrastu sa izobličenim stenama iz dobaKrede, koje je uzdigao tercijarni granit, erozija, izazvana mahom iznenadnim topljenjem i povlačenjem leda, zajedno s tektonskim poremećajima, izdubila je duboke longitudinalne depresije, koje generalno odvajaju plato od prvih visokih brda, grebena koji se obično naziva pre-Kordiljeri, dok se na njegovom zapadu nalazi slična longitudinalna depresija duž linije snega andskih Kordiljera. Ova depresija je najbogatija i najplodnija zemlja u Patagoniji.
Geološki sastav je u skladu s orografskom fiziognomijom. Tercijarni plato, ravan na istoku, postepeno se uzdiže prema zapadu, s uzdignutim kraterskim kupama u podnožju. Prvo dolaze niža kraterska brda od granita i dioritskih stena, besumnje tercijarnog porekla, pošto su u nekim slučajevima ove stene bogate fosilima sisara; zatim slede, na zapadu,metamorfička brda od škriljca nepoznate starosti, potom se pojavljujekvarcit, koji leži direktno na primitivnom granitu ignajsu koji čine kičmuKordiljera. Porfirne stene se javljaju između škriljca i kvarcita. Tercijarne naslage variraju po karakteru i postoje značajne razlike u mišljenju koje se tiču sukcesije i korelacije ovih naslaga. Vilkensi ih je podelio po starosti na sledeće serije:
Pyrotherium-Notostylops naslage. Tercijarnog porekla, sadrže fosile sisara.Eocen iOligocen.
Patagonijska melasa. Delom morskog, delom tercijarnog porekla. StarijiMiocen.
Santa Kruz serija. Sadrže ostatke sisara. Srednji i mlađi Miocen.
Paranfl serija.Peščar i konglomerat morskih fosila.Pliocen. Ograničen na istočni deo oblasti.
Naslage iz mlađe Krede i Tercijara otkrile su vrlo interesantnu faunu kičmanjaka. Ovo, zajedno s otkrićem izvanredne lobanje kornjače iz redaMyolania, za koju se može reći da je gotovo identičnaMyolania oweni iz erePleistocena uKvinslend, je očigledan dokaz veze izmeđuaustralijskog i južnoameričkog kontinenta. PatagonijskaMyolania pripada mlađoj Kredi i povezuje se s ostacimadinosaurusa.
Druge vrste zanimljive faune Patagonije, koje pripadaju srednjem Tercijaru, su gigantske ptice bez krila i jedan sisarPyrotherium, takođe velikih dimenzija. U tercijarnoj morskoj formaciji otkriven je značajan brojcetacea. U naslagama mnogo kasnijeg datuma, formiranim kada se fiziognomija tla materijalno nije mnogo razlikovala od sadašnje, otkriveni su ostaci pampaskih sisara, kao što jeGlyptodon iMacrauchenia, a u pećini blizu Rta Dobre nade, gigantskilenjivac (Grypoiherium listai), životinja koja je živela u isto vreme kad i čovek, i čija koža, dobro očuvana, pokazuje da je njeno istrebljenje besumnje novijeg datuma. S ostacimaGrypotheriuma otkriveni su ostaci konja (Onoshippidium), koji su poznati jedino iz donjih slojeva blata na pampasima, iArciotheriuma, koji je otkriven, mada ne u velikom broju, u gotovo svim modernim pleistocenskim naslagama u pampasimaBuenos Airesa. Neće biti iznenađenje ako ova poslednja životinja još postoji, jer su otisci stopala, koji se mogu njoj pripisati, pronađeni na obali reka u Tamangoand Piste, pritoka reke Las Hefas, koja teče kroz istočna brda Kordiljera na 47°S.
Glečeri zauzimaju niz dolina i bočne grebene Kordiljera i spuštaju se u jezeraSan Martin,Viedma,Argentino i druga u blizini puneći ihglečerima. U Patagoniji su se velike ledene ploče širile na istok prema obalama sadašnjegAtlantika za vreme prvog ledenog doba, na završetkutercijara, dok su se, u drugom ledenom dobu u savremeno krajevi morena uglavnom zaustavili 50 km na sever i 80 km na jug, istočno od vrha Kordiljera. Ove ledene ploče, koje su se izdubile veliki deo longitudinalnih depresija, i naglo se povukle do tačke gde se glečeri danas nalaze, nisu međutim u svom povlačenju popunile svojim ostacima fjordove, jer su oni danas popunjeni dubokim jezerima na istoku, a na zapadupacifičke kanale, od kojih su neki i 460 m duboki, a sonarna merenja vršena u njima pokazuju da su fjordovi obično dublji u blizini planina nego na zapadu ostrva. Nekoliko vrhova još uvek su aktivni vulkani.
Prema glavnim karakteristikama Patagonija je izgleda bila deoanktartičkog kontinenta, čija nepromenljivist je vrlo skorog porekla, što je dokazano nedavnim očiglednim izronjavanjem ostrvaca okoChiloé, i opštim karakterom pampaskih formacija. Neki od rtova Chiloé se još zovuhuapi, araukanianska reč za „ostrvo“, što se možda može prihvatiti kao čuvanje uspomene na vreme kada su oni u stvari bili još ostrva. Oni se sastoje od šljunka, s velikim, mahom zaobljenim belucima, peska i vulkanskog pepela, potpuno istog oblika koji se javlja i u patagonijskom platou. Na osnovu istraživanja pampaskih formacija očito je da se zemlja provincijeBuenos Aires prostirala dalje na istok, a da su napredovanje mora i nalazišta slane vode nastala nakon njegovog povlačenja, formirajući neke od nizija koje se pojavljuju u priobalju i unutrašnjosti pampasa, mnogo skoriji fenomeni. Izvesne kupe šljunka, koje potiču od stena različitih od onih u susednim brdima, kakve su primećene na atlantskoj obali u istoj provinciji, a povećavaju se u količini i veličini prema jugu; izgleda da nagoveštavaju da su se kupe šljunka, koje danas pokrivaju tako veliki deo patagonijske teritorije, do nedavno prostirale dalje na istok, preko zemlje koja koja je dans iščezla pod morem, dok su druga morska nalazišta duž iste obale pretvorena u zalive za vreme kasnijeg napredovanja mora. Pored toga postoje na okolnoj obali nalazišta vulkanskog pepela, a okean je izbacio na obalu blokove bazaltne lave, što je sve verovatno nastalo kao posledica erupcija podmorskih vulkana danas ugašenih. Jedna činjenica, međutim, koja očevidno s velikom sigurnošću dokazuje donedavno postojanje danas izgubljene zemlje, je prisustvo ostataka pampaskih sisara upleistocenskim naslagama u zalivuPuerto San Hulian i u provinciji Santa Kruz. Životinje su besumnje došle na ovo područje sa istoka; nije verovatno da su se spustile sa severa preko platoa koji je u to vreme bio ispresecan velikim rekama i pokriven ledenim pločama. S izuzetkom otkrića na ostrvcu Ultima Esperanza, koja je u tesnoj vezi s atlantskom dolinom Rio Galjegosa, ni jedan od ovih ostataka nije pronađen u andskom području.
Klima je manje oštra nego što su rani putnici pretpostavljali. Istočna strana je toplija od zapadne, naročito leti, jer ogranak istočne ekvatorske struje protiče kraj obale, dok zapadnu obalu zapljuskuje hladna struja. Na Puerto Montu, ostrvcu iza ostrva Chiloé srednja godišnja temperatura je 11 °C a prosečne ekstremne temperature su 25.5 °C −1.5 °C, dok je na Baija Blanka na atlantskoj obali na severnoj granici Patagonije godišnja temperatura 15 °C s mnogo većim ekstremima. Na Punta Arenasu, na krajnjem jugu, srednja temperatura je 6 °C a prosečni ekstremi 24.5 °C i −2 °C. Preovlađujući vetrovi su zapadni, a zapadna strana ima mnogo više padavina nego istočna; tako su u Puerto Montu prosečne godišnje padavine 2,46 m, ali u Baija Blanka one su 480 mm. U Punta Arenasu iznose 560 mm.
Gvanako,puma,zoro ili Brazilskalisica (Canis azarae),zorino iliMephitis patagonica (vrstatvora) ituko-tuko iliCtenomys niagellanicus (glodar) su najkarakterističniji sisari patagonijske ravnice. Gvanako luta u krdima, a sa pticomrea (Rhea americana, ređeRhea darwinii) predstavlja glavno sredstvo opstanka za domoroce, koji ih love na konjima, uz pratnju pasa i pomoćubolas (naročito oružje od kamenova povezanih kožnom vrpcom). Ptičji svet je često izvanredno bogat. Karančo ilisoko-lešinar (Polyborus tharus) je jedan od karakterističnih zanimljivosti patagonijskog pejzaža; prisustvo dugorepih zelenihpapagaja (Conurus cyanolysius) daleko na jugu na obalama moreuza privlačilo je pažnju ranih moreplovaca; akolibri se može videti kako leti usred snežne mećave. Od mnogih vrsta vodenih ptica dovoljno je pomenutiflaminga, brdskugusku, a na moreuzu neobičnu morskupatku.
Ljudska naselja u ovom području datiraju hiljadama godina unazad, a neki rani arheološki nalazi u južnom delu potiču iz 10. milenijuma pne., mada se kasnija nalazišta iz 8. milenijuma mnogo sigurnije prepoznaju. Ovo područje je izgleda bilo neprekidno nastanjeno od tih vremena, raznim kulturama i naizmeničnim talasima migracije, čiji detalji su i dalje jedva istraženi.
Među urođeničkim narodima su iTehuelche, koji su bili skoro istrebljeni posle prvih susreta s Evropljanima.
Oblast Patagonije je prvi put zabeležila u evropskim izvorima1520. ekspedicijaFerdinanda Mageljana, koji je prolazeći pored obale dao imena mnogim upadljivim mestima --Zaliv San Matijas, Rt 11.000 devica (danasZaliv devica), i druga. Međutim, moguće je da su i raniji moreplovci kao što jeAmerigo Vespuči došli do ovog područja (njegove beleške iz1502. govore da je bio na ovoj geografskoj širini), međutim on nije uspeo da tačno opiše glavne geografske odlike ovog područja kao što jeRio de la Plata što izaziva izvesne sumnje da je on zaista bio ovde.
Alkazava Sotomajor, kome je u ime kralja Španije darovana zapadna Patagonija, bio je prvi Evropljanin koji je prešao veliku patagonijsku ravnicu i, zbog pobune svojih ljudi, možda nije prešao preko Anda da bi stigao na čileansku stranu.
Pedro de Mendoza, kome je zemlja potom darovana, doživeo je da otkrijeBuenos Aires, ali ne i da nastavi istraživanja ka jugu.Alonzo de Kamargo (1539),Huan Ladriljeros (1557) iUrtado de Mendoza (1558). pomogli su da se upozna zapadna obala, a putovanje serFrensisa Drejka1577. niz istočnu obalu, pa kroz moreuz uzvodno pored Čilea i Perua bilo je zapamćeno iz više razloga; ali geografija Patagonije najviše dugujePedru Sarmijento de Gamboa (1579–1580), koji se posvetio naročito jugozapadnom području i sačinio pažljiva i tačna snimanja terena. Španska vlada je zanemarila naselja koja je on otkrio uNombre de Dios iSan Felipe i kasnije su bila u tako jadnom stanju da ih jeTomas Kavendiš, koji ih je posetio1587, nazvao Puerto Hambre – Luka gladi.
Prema Antoniju Pigafeti, jednog od malobrojnih preživelih iz Mageljanove ekspedicije i njegovoj hronici, Mageljan je dao ime"Patagão" (iliPatagoni) stanovnicima na koje je naišao, a ime "Patagonija" čitavoj oblasti. Iako Pigafetine beleške ne opisuju kako je to ime nastalo, kasnije popularne interpretacije veruju da izvor reči znači 'zemlja velikih stopala'. Ova etimologija je, međutim, nepouzdana.
Patagonski urođenici u bliziniMageljanovog moreuza (iz 1840-ih); iz knjige"Voyage au pole sud et dans l'Oceanie ....." francuskog istraživača Žil Dimon d’Urvija.
Najveće interesovanje u Pigafetinim beleškama izazvali su susreti s lokalnim stanovnicima, za koje je on tvrdio da su visoki osam do dvanaest stopa —"...tako visoki da smo im dosezali samo do pojasa"—, otud kasnija ideja da Patagonija znači "velika stopala". Ova tobožnja rasa patagonijskih divova iliPatagonaca ušla je u opšta evropska shvatanja o ovoj malo poznatoj i dalekoj zemlji, da bi bila podgrevana kasnijim izveštajima drugih ekspedicija i slavnih istraživača poput Drejka, koji su potvrđivali ovakve vesti. Rane karteNovog sveta ponekad su dodavale legenduregio gigantum ("područje džinova") području Patagonije. Od1611. patagonijski bog Setebos je postao poznat kao izazivač oluja.
Ovakav opšti utisak i verovanja potrajali su sledećih 250 godina, a 1767. senzacionalno su podgrejani kada je objavljena jedna „zvanična“ (ali anonimna) beleška sa nedavnog putovanja oko sveta komodora Džona Bajrona brodom „Delfin“. Bajron i posada proveli su neko vreme na obali, a publikacija (Put oko sveta na brodu Njegovog veličanstva „Delfin“) je izgleda pružila dokaz o postojanju divova; publikacija je preko noći postala bestseler, hiljade primeraka je prodato željnoj publici, a druge ranije beleške o Patagoniji su žurno ponovo štampane (čak i one u kome se divoliki narod uopšte ne pominje).
Međutim, „patagonijska groznica“ je naprasno prestala samo nekoliko godina kasnije, kada je objavljena jedna trezvena i analitička beleška. Godine1773.Džin Hokesvort je u ime Admiraliteta objavio pregled dnevnika poznatih engleskih istraživača južne hemisfere, uključujući u dnevnikeDžejmsa Kuka i Džona Bajrona. U ovoj publikaciji, na osnovu zvaničnih brodskih dnevnika, postalo je jasno da ljudi koje je Bajronova ekspedicija srela nisu bili viši od 6 stopa i 6 inča, možda visoki ali svakako ne džinovi. Interes je naglo splasnuo, iako je svest i verovanje u ovaj mit opstalo čak do20. veka.
U drugoj polovini18. veka saznanja o Patagoniji su dalje uvećana putovanjima već pomenutog Džona Bajrona (1764–1765), Semjuela Volisa (1766, na istom broduDelfin i Luja Antoana de Bugenvila (1766). Tomas Fokner, jezuita koji je skoro četrdeset godina živeo u ovim područjima, objavio je svojOpis Patagonije (1774); Fransesko Vijedma osnovao je El Karmen, Antonio stigao kopnom do Anda (1782); a Basilio Viljarino je išao uzvodno Rio Negrom (1782).
Ekspedicije brodovaAdventure (1826–1830) iBeagle (1832–1836) pod komandom Filipa Parkera Kinga i Roberta Ficroja bile su od prvorazredne važnosti. Ova druga zapamćena je jer je u njoj bio iČarls Darvin; ništa međutim nije istraživano u unutrašnjosti zemlje izuzev 320 km na putu za Santa Kruz.
Kapetan Džordž Čovort Musters je1869 lutao u društvu s grupomTeuelća čitavom dužinom zemlje od moreuza do Manzenarosa na severozapadu, i sakupio obilje informacija o narodu i njegovom načinu života.
Godine 1885. rudarska istraživačka ekipa pod vođstvom rumunskog pustolova Juliusa Popera iskrcala se u južnoj Patagoniji u potrazi za zlatom, koje su pronašli posle putovanja na jug do Ognjene zemlje. Njihov primer sledili su i drugi istraživači.
Pogled iz vazduha naPerito Moreno glečer (Santa Kruz provincija) i na andske ledene ploče