Stavns Fjord er en ca. 20 km2 stor fjord, som deler Samsø i en nordlig og en sydlig del. Øens istidslandskab fortsætter ud i fjorden, hvor det udgør kernen i mange af fjordens øer og holme.
I dag fremstår fjorden som et øhav, hvis talrige ubeboede øer og holme udgør toppen af bakkerne i et druknet morænelandskab. For 7.000 år siden var Littorinahavet på sit højeste, men trods det højere havniveau havde området flere øer og holme end i dag. Til gengæld var området mere åbent, og øhavet strakte sig længere mod syd.
Fordi øhavet var åbent, var de mest fremragende partier på moræneøerne udsat for erosion. Der blev skabt klinter i øerne, og det nedbrudte materiale blev transporteret langs kysterne og aflejret for enden af de talrige korte kystafsnit. Sedimentationen førte til, at bugter blev udfyldt, odder voksede ud, og der blev skabt sandflader mellem øerne. I takt med landhævningen blev farvandet mere lavvandet, hvilket bl.a. medførte, at nærtliggende øer voksede sammen, og flere småøer blev landfaste med Samsø. Med tiden opstod også Besser Rev samt strandvoldssletten med Nordby Hede mellem Stavns Fjord og den nordlige del af Samsø. I dag ligger Stavns Fjord tilbage som en rest af Littorinahavets udstrakte ørige.
Ved Langør og Lilleøre i nord kan man se flere generationer af krumoddedannelser. Mod vest afgrænses fjorden af en mosaik af moræneøer, strandvolde og hævet havbund, mod nord af et system af strandvolde ved Langør, mens den mod øst beskyttes mod havet af den ca. 5 km lange og op til 350 m brede barriereø Besser Rev. Barrieren har sit ophængspunkt i den lille bakke Hønsepold. Besser Rev er flere gange blevet gennembrudt af havet; det skete fx i 2008, hvor der opstod et gennembrud ved Draget. Lige øst for Lilleøre og Langør snor en strømrende sig vest og syd om Hjortholm, der er den største af fjordens talrige øer.
Øerne og holmene samt arealerne, som kanter den næsten cirkulære fjord, dækkes af strandenge og strandoverdrev, og Samsøs i alt 196 ha strandeng ligger hovedsagelig rundt om Stavns Fjord. Strandengene er særligt veludviklede på Barnekold øst for Alstrup og Maden ved Hesselholm, som bl.a. er voksested for den sjældne smalbladet hareøre. Den gule engmyre er også meget talrig her og afslører sin tilstedeværelse ved sine kuplede tuer, der giver strandengen et bulet udtryk. På overdrevene mod nord og vest har kommabredpande desuden et af sine få danske levesteder.
Fjorden er især kendt for sit rige fugleliv. På øerne og holmene, som rævene har sværere ved at nå, yngler bl.a. sølvmåge, sildemåge, svartbag, havterne, klyde, grågås, gravand, ederfugl og tejst. Derudover kan Yderste Holm og Kolderne bryste sig af at huse Danmarks største skarvkoloni.
I træktiden er Stavns Fjord en vigtig rasteplads for vadefugle som småspove, storspove, lille kobbersneppe, stenvender, hjejle, alm. ryle og sortgrå ryle samt andefugle som krikand, gråand og pibeand. Flere af dem bliver i fjorden vinteren over sammen med bl.a. hvinand, fløjlsand, sortand, ederfugl, grågås, mørkbuget knortegås og sangsvane.
Både gråsæl og spættet sæl yngler på Bosserne sydøst for Vejrø, og stenrevet er derfor udlagt som sælreservat. I 1926 blev hele fjorden og havområdet ud til Samsø Østerflak udpeget som vildtreservat, hvilket bl.a. betyder, at der ikke er adgang til holmene og strandengene i fuglenes yngletid fra d. 1. april til d. 15. juli. Fjorden og de tilstødende arealer og farvande er desuden udpeget som habitatområde, fuglebeskyttelsesområde og Ramsarområde, mens arealerne langs fjorden samt øerne og holmene har været fredet siden 1981.
Ved Stavns Fjord er der fundet mere end 40 bopladser fra Ertebøllekulturen (ca. 5400-ca. 3950 f. Kr.), ligesom der ved fjorden er fundet bopladser fra yngre stenalders (ca. 3950-ca. 1700 f. Kr.) bondebefolkning.
Med sin beliggenhed omgivet af de indre farvande i den sydligste del af Kattegat var Samsø i oldtiden forholdsvis nem at komme til ad søvejen. Fjorden var ideel som havn for jernalderens lavtgående skibe. Med Kanhavekanalens anlæggelse ca. 700-750 på øens smalleste sted fik man en militært let forsvarlig forbindelse mellem det østlige og vestlige Kattegat.