Die Insel ist in drei Abschnitte unterteilt. Der nördliche Teil von Key Biscayne beheimatet den Crandon Park, bei dem es sich um einen County-Park handelt. Den mittleren Abschnitt der Insel nimmt die Gemeinde Key Biscayne mit 12.344 Einwohnern (Stand: 2010) ein. Im südlichen Inselteil befindet sich der Bill Baggs Cape Florida State Park, der unmittelbar an den Biscayne-Nationalpark angrenzt.
Key Biscayne gehört, obwohl als “Key” bezeichnet, geologisch gesehen nicht zu den Florida Keys, sondern ist eine Barriereinsel, die sich aus erodiertem Sand von den Appalachen zusammensetzt. Dieser wurde von Flüssen an den Atlantik transportiert und wanderte dann durch Küstenströmungen südwärts entlang der Küste. Auf der Inseloberfläche findet sich kein hartes Felsgestein, sondern nur Schichten von weichem “Shelly-Sandstein“, der bis in Tiefen von 30 Metern oder mehr reicht. Key Biscayne bildet das südliche Ende des Sandtransportsystems entlang der Küste. In den 1850ern vermerkte Louis Agassiz, dass “kein quarzhaltiger Sand mehr südlich von Cape Florida zu beobachten sei.” (Die Strände in den Florida Keys bestehen hauptsächlich aus fein pulverisierten Muschelschalen.) Geologen gehen davon aus, dass sich die Insel um 2000 v. Chr. gebildet hat, kurz nach dem Ende des Meeresspiegelanstiegs. Der Sand, der durch die Küstenströmungen herangetragen wurde, begann sich aufzutürmen und bildete neue Barriereinseln vor der südlichen Küste Floridas.
Key Biscayne dehnt sich in nord-südlicher Richtung aus, mit spitz zulaufenden Enden an jeder Seite. Die Insel ist ungefähr acht Kilometer lang und 1,6 bis 3,2 Kilometer breit. Das nördliche Ende wird durch den Bear Cut von einer weiteren Barriereinsel, dem Virginia Key, getrennt. Cape Florida bildet das südliche Inselende. Der Cape-Florida-Kanal trennt die Insel von der Safety Valve, flache Sandflächen, die durch Gezeitenkanäle eingeschnitten sind und sich 14 Kilometer südwärts bis zu den Ragged Keys am Nordende der Florida Keys erstrecken. Zwischen Key Biscayne und den Ragged Keys liegt nur noch der etwa 180 mal 90 Meter große Soldier Key. Der Cape-Florida-Kanal (1849 noch 3 bis 3,5 Meter tief) und der Bear Cut (1849 etwa 1 Meter tief) sind die tiefsten natürlichen Meerengen in der Biscayne-Bucht und boten für Seeschiffe den einzigen Zugang zur Biscayne-Bucht – bis es zu Beginn des 20. Jahrhunderts zur Aushebung künstlicher Kanäle kam. Im Jahr 1849 besaß die Insel auf der Ostseite einen feinen Sandstrand sowie Mangroven und Lagunen auf der Westseite. Die Insel liegt durchschnittlich 1,5 Meter über dem Meeresspiegel.
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