Область занимает центральные районы Северо-Восточной Сибири. На юге и западе ее поднимаются многочисленные (местами до восьми-девяти) цепи хребта Черского (гребень его водораздельных массивов поднимается выше 2300—2600 м) и Тас -Кыстабыта (2100—2280 м), а на севере — хребты Момский (2100—2500 м) и Селенняхский (1300—1400 м, до 2002 м).
Между южными и северными хребтами расположено Момо-Селенняхское понижение (300—700 м), которое, так же как и хребты, вытянуто с юго-востока на северо-запад и отделено на севере от приморской равнины почти широтным кряжем Полоусным (700—900 м).
Территория области сложена сильно дислоцированными н метаморфизованными нижнепалеозойскими, девонскими, верхнепалеозойскими и триасовыми отложениями; особенно большие площади заняты морскими и континентальными свитами юры и нижнего мела. На севере, в Зырянской тектонической впадине, к этим породам приурочены каменноугольные месторождения Колымо-Индигирского бассейна, запасы которого превышают 102 млрд. т. Характерны также многочисленные крупные интрузии гранитов и других кислых пород, с которыми связаны месторождения различных рудных полезных ископаемых.
В формировании современного рельефа наиболее видная роль принадлежит четвертичным поднятиям, нередко сопровождавшимся разрывами и сбросами, с которыми связаны выходы горячих источников, а местами и недавно потухшие вулканы. Один из таких вулканов — Балаган-Тас — расположен в верховьях Момы. Он имеет форму усеченного конуса высотой около 180 м и сложен вулканическими шлаками базальтового состава.
В Момско-Черской области преобладают средневысотные горные хребты с многочисленными формами, созданными деятельностью четвертичных ледников и нивально-солифлюкционными процессами. Наиболее повышенные участки хребтов на юге и востоке отличаются альпийским рельефом; здесь встречаются свежие формы четвертичного оледенения, а в Буордахском массиве и на горе Чён — современные ледники. Многие реки, в частности Индигирка и ее притоки, пересекают хребты в узких и глубоких антецедентных долинах с многочисленными террасами на склонах. Другие, например Мома и Селениях, текут преимущественно в межгорных котловинах; они имеют широкие, иногда заболоченные долины и сравнительно небольшие уклоны русла.
Зимой в межгорных понижениях и речных долинах наблюдаются температурные инверсии; по этой причине средние температуры января опускаются до —40, —45°, а морозы иногда достигают 65°. Лето в понижениях умеренно теплое (средние температуры июля 14—15°), но высоко в горах прохладное, с частыми заморозками и снегопадами. Понижения и горные массивы существенно отличаются и по условиям увлажнения: в понижениях за год выпадает 220—300 мм осадков, в горах же их сумма превышает 500—600 мм, а в крайних восточных районах хребта Черского и Тас-Кыстабыта — даже 700 мм.
В Момско-Черской области встречается много гигантских наледей. Так, например, в долине реки Момы расположена наледь Улахан-Тарын, занимающая площадь более чем 160 км2. Мощность образующегося здесь льда достигает 3,5—4 м, а объем — более 0,5 млрд. м3. Лето в бассейне Момы хотя и теплое, но сравнительно короткое, и образовавшийся за зиму лед не успевает растаять. Довольно крупные наледи есть и в долине реки Кыры, стекающей с хребта Тас-Хаяхтах: площадь только трех из них около 26 км2, толщина льда превышает 6 м, а его объем достигает почти 40 млн. м3.
Все они имеют иное происхождение, чем обычные небольшие наледи, образующиеся при замерзании вышедших на поверхность вод или речной воды, вытесненной донным льдом. П.Ф. Швецов, изучавший это феноменальное явление, установил, что гигантские наледи питаются водами незамерзающих источников, поступающими из расположенных на глубине 200—250 м подмерзлотных водоносных горизонтов. Выходы таких источников на поверхность связаны с линиями молодых тектонических разломов и отличаются высоким дебитом, достигающим иногда 10— 12 м3/сек.
Суровый климат обусловливает сравнительное однообразие почв и растительного покрова области. Редкостойные горные лиственничные леса на горных мерзлотно-таежных скелетных почвах занимают лишь межгорные котловины и нижние части склонов, не поднимаясь выше 250—300 м на севере области, 650—700 м — в средней части и 800—1000 м — в крайних юго-восточных районах. Очень большие площади заняты высокогорными ландшафтами: зарослями кедрового стланика, различными вариантами горной тундры, а в самых высоких хребтах холодной каменистой пустыней. Среди лиственничных лесов долин Момы и Индигирки на склонах южной экспозиции изредка встречаются небольшие участки степей и остепненных лугов; площадь наиболее крупных из них не превышает 300 га.
Часть немногочисленного пока населения области занята на предприятиях горнодобывающей промышленности; жители небольших поселков занимаются оленеводством и пушным промыслом.