Kálimnos is een bergachtig eiland. Drie kale, rotsachtige, parallel lopende bergketens doorsnijden het eiland en daartussen liggen twee grote en enkele kleinere vlaktes. De noordelijkste bergketen heeft als hoogste top de Panagía Kirapsili (608 m). In de middelste keten draagt de hoogste top de gebruikelijke naam Profítis Ilías (678 m). Tussen beide ketens ligt de vruchtbare, waterrijke vallei van Vathís. De zuidelijkste keten is minder hoog, met de top van de Miroviglio (498 m) als hoogste punt. Tussen de middelste en zuidelijke keten ligt het dal van Póthia en de hoogvlakte van Árgos. De kust heeft een grillig verloop en bestaat uit kapen, inhammen en baaien met zand- of kiezelstranden. Rond Kálimnos liggen verschillende eilanden, voor de westkust ligt Télendos en voor de zuidkust Psérimos en Pláti.