Область занимает крайние западные и некоторые южные районы страны, расположенные в пределах системы Верхоянского хребта. Это одна из наиболее крупных областей Северо-Востока, простирающаяся широкой полосой от побережья Северного Ледовитого океана (72° с.ш.) на юго-юго-восток до Охотского водораздела (61°40'с.ш.).
Верхоянская горная система образует западное и южное звенья внешнего кольца окраинных хребтов страны. Она состоит из многих горных хребтов и массивов. Крайнюю северную ее часть образует сильно расчлененный речными долинами Хараулахский хребет с высотами от 200—300 м на севере до 900—1400 м на юге. Продолжением его к югу от истоков реки Хараулах служит хребет Орулган, вершины которого поднимаются до 2389 м. В истоках реки Омолой на северо-восток от этого хребта отходит более низкий (700—800 м, до 1289 м) хребет К у л а р, занимающий территорию Яно-Омолойского междуречья.
Южнее Полярного круга под влиянием тектонических структур соседнего участка Сибирской платформы направление хребтов изменяется на восточно-юго-восточное. Здесь начинается собственно Верхоянский хребет, восточнее истоков реки Томпо разделяющийся на две ветви: восточную, заканчивающуюся в крайнем восточном районе области хребтом Сунтар-Хаята, и южную — хребет Сетте-Дабан. Сунтар-Хаята наиболее высокий хребет Верхоянской системы: несколько десятков горных пиков поднимаются здесь выше 2500 м, а наиболее высокий из них — Мус-Xая — достигает 2959 м.
Область относится к Верхоянской антиклинальной зоне и сложена преимущественно терригенными (песчаники, сланцы) пермскими, а по окраинам триасовыми, юрскими и меловыми породами, которые смяты в широкие коробчатые, гребневидные и куполообразные складки. Особенно видную роль в формировании рельефа играли новейшие тектонические поднятия, имевшие, судя по деформациям древних поверхностей выравнивания, характер свода, нередко осложненного разрывами и сбросами.
В Верхоянской области преобладают районы с типичным среднегорным эрозионным рельефом. Многие хребты имеют сравнительно плоские вершины, которые представляют собой остаточные поверхности выравнивания, сформировавшиеся в позднемезозойское и палеогеновое время. По окраинам и, особенно, на севере области встречаются также низкогорные массивы, часто с отчетливо выраженными ледниковыми и нивальными формами. Наконец, в наиболее повышенных участках, преимущественно на юге (например, в хребте Сунтар-Хаята), есть массивы с альпийским рельефом. Для них характерны очень крутые, глубоко расчлененные склоны и обилие форм трехкратного четвертичного оледенения (кары, цирки, троговые долины, морены, перевальные сквозные понижения и т.д.).
Для Верхоянской системы типична асимметричность склонов: внешние склоны — западный и южный — крутые, а склоны, обращенные к внутренней части страны, более пологие. Асимметрия объясняется, прежде всего, большой крутизной внешнего крыла Верхоянского антиклинория, а также различным положением базиса эрозии, лежащего более высоко на востоке, в бассейнах Яны и Индигирки, и значительно ниже у рек, стекающих к Лене и Алдану. В связи с этим падение рек ленского склона более крутое и их долины часто превращаются в узкие ущелья. Некоторую роль играет и то обстоятельство, что на западных склонах выпадает больше осадков.
Благодаря асимметрии склонов верховья рек, некогда относившихся к бассейнам Яны и Индигирки, были перехвачены реками, спускающимися к Лене, Алдану или Охотскому морю. Так, например, прежние истоки крупного притока Яны реки Адычи сейчас относятся к верховьям одного из правых притоков реки Томно, впадающей в Алдан, а река Делькю-Охотская перехватила верховья реки Делькю-Куйдусунской.
Климат области суровый. Продолжительность холодного сезона достигает в горах восьми-девяти месяцев, хотя температура зимы несколько выше, чем на соседних равнинах. Весна начинается в середине мая, но интенсивное таяние снежного покрова происходит лишь в начале июня, а в высокогорье — даже в конце июня. Лето прохладное и непродолжительное. Количество осадков в среднем 300—500 мм в год; основная масса их приходится на летние месяцы. В наиболее повышенных участках водораздельных хребтов на юге выпадает до 600—700 мм осадков в год, а в хребте Сунтар-Хаята — до 1000 мм, чем и объясняется существование здесь довольно значительного современного оледенения.
В Верхоянской области отчетливо выражена высотная поясность в распределении почв и растительности. Нижние части склонов, на севере до высоты 200 — 300 м, на юге до 1000 — 1100 м (а в хребте Суитар-Хаята даже до 1300—1400 м), заняты лесами из даурской лиственницы, чаще всего редкостойными. Под лесами формируются щебнистые горно-таежные или горные мерзлотно-таежные почвы, подстилаемые горизонтом вечной мерзлоты. В нижней части горно-лесного пояса на западном и южном склонах окраинных хребтов области изредка еще встречаются ель и сосна, но восточнее они исчезают. В долинах рек есть леса из благовонного тополя и чозении.
Выше верхней границы древесной растительности располагается неширокий пояс низкорослых кустарников, преимущественно кустарниковой ольхи на западе и кедрового стланика на востоке. Еще выше лежит пояс горной тундры — кустарниковой, лишайниковой и каменистой. Она занимает более половины территории области. Наиболее высокие вершины входят в пояс холодной пустыни и подчас совершенно лишены растительного покрова.
Природные ресурсы области — полезные ископаемые (золото, полиметаллические руды), леса и ягельные пастбища — используются еще сравнительно слабо из-за малой заселенности территории, ее труднодоступности и сложных условий освоения.