Северо-Восточная Сибирь в палеозое и первой половине мезозоя представляла собой подвижный участок Верхоянско-Чукотского геосинклинального морского бассейна. Об этом свидетельскуют очень большая мощность отложений палеозоя и мезозоя, местами достигающая 20—22 тыс. м, и интенсивное проявление тектонических движений, создавших во второй половине мезозоя складчатые сооружения страны.
Особенно типичны для Северо-Восточной Сибири отложения так называемого Верхоянского комплекса, мощность которых достигает 12—15 тыс. м. В состав комплекса входят пермские, триасовые и юрские песчаники и глинистые сланцы, обычно интенсивно дислоцированные и прорванные молодыми интрузиями. В отдельных районах терригенные породы переслаиваются эффузивами и туфами.
Наиболее древние структурные элементы — Колымский и Омолонский срединные массивы. Основание их сложено собранными в складки докембрийскими и палеозойскими отложениями. Покрывающие массивы юрские свиты в отличие от других областей состоят из слабодислоцированных карбонатных пород, залегающих почти горизонтально; видную роль играют также эффузивы.
Остальные тектонические элементы имеют более молодой возраст, преимущественно верхнеюрский (на западе) и меловой (на востоке). К ним принадлежат Верхоянская складчатая зона и Сетте-Дабанский антиклинорий, Янская и Индигирско-Колымская синклинальные зоны, а также Тас-Хаяхтахский и Момский антиклинорий. Крайние северо-восточные районы входят в состав Анюйско-Чукотской антиклинали, которая отделена от области срединных массивов Олойской тектонической впадиной, заполненной вулканогенными и терригенными юрскими отложениями. Мезозойские складкообразовательные движения, в результате которых сформировались эти структуры, сопровождались разрывами, излияниями кислых и основных пород, интрузиями, с которыми связано разнообразное оруденение (золото, олово, свинец, молибден).
К концу мела Северо-Восточная Сибирь представляла собой уже достаточно консолидировавшуюся, приподнятую над соседними областями территорию. Процессы денудации горных хребтов в условиях теплого климата верхнего мела и палеогена привели к нивелированию рельефа и формированию плоских поверхностей выравнивания, остатки которых отчетливо прослеживаются во многих хребтах.
Формирование современного горного рельефа обусловлено дифференцированными тектоническими поднятиями неогена и четвертичного времени, амплитуда которых достигала 1000—2000 м. В районах наиболее интенсивных поднятий и возникли особенно высокие хребты. Их простирание обычно соответствует направлению мезозойских структур, т. е. является унаследованным; однако некоторые хребты Колымского нагорья отличаются резким несовпадением простирания складчатых структур и современных горных массивов. Участки кайнозойских опусканий заняты в настоящее время низменностями и межгорными котловинами, заполненными толщами рыхлых отложений.
В плиоцене климат был теплым и влажным. На склонах тогда еще невысоких гор располагались хвойно-широколиственные леса, в составе которых встречались дуб, граб, лещина, клен, серый орех (Juglans cinerea). Среди хвойных преобладали калифорнийские формы: западноамериканская горная сосна (Pinus monticola), ель Воллосовича (Picea wollosowiczii), представители семейства Taxodiaceae.
Раннечетвертичные поднятия сопровождались заметным похолоданием климата. В связи с этим теплолюбивые хвойные и серый орех в нижнечетвертичных отложениях уже отсутствуют. Леса, покрывавшие в то время южные районы страны, состояли главным образом из темнохвойных пород, близких к встречающимся в настоящее время в североамериканских Кордильерах и горах Японии.
В середине четвертичного времени началось оледенение. В продолжавших подниматься горных хребтах преобладали крупные долинные ледники; большие ледяные покровы отсутствовали. В предгорьях и на равнинах формировались фирновые поля, и, по мнению Д.М. Колосова (1947), оледенение имело здесь эмбриональный характер.
На крайнем севере — в архипелаге Новосибирских островов и на приморских низменностях — во второй половине четвертичного времени началось формирование вечной мерзлоты и внутрипочвенных льдов, мощность которых достигает 50—60 м. Эти льды и сейчас слагают поверхность Новосибирских островов и обрывы берегов Северного Ледовитого океана.
Таким образом, оледенение равнин Северо-Востока было пассивным. Большая часть ледников представляла собой малоподвижные образования, их экзарационное воздействие мало сказывалось на рельефе, и они почти не переносили рыхлого материала.
Значительно лучше выражены следы горно-долинного оледенения в окраинных горных массивах, где встречаются прекрасно сохранившиеся формы ледниковой экзарации в виде каров и троговых долин, нередко пересекающих водораздельные части хребтов. Длина долинных ледников западного и южного склонов Верхоянского хребта достигала 200—300 км. В среднечетвертичное время они спускались на соседние участки Центральноякутской низменности и оставили здесь мощные морены; река Лена была подпружена ими и, обходя край ледников, протекала западнее, чем сейчас, — в районе реки Линде.
По мнению большинства исследователей, в горных областях Северо-Востока было три самостоятельных оледенения. Наиболее древнее из них (Тобычанское) относится к среднечетвертичной эпохе; в верхнечетвертичное время формировались льды Эльгинского и Бохапчинского оледенений.
Ископаемая флора межледниковых отложений свидетельствует о прогрессивном возрастании суровости и континентальности климата страны. Уже после первого оледенения в составе лесной растительности наряду с некоторыми североамериканскими видами (например, тсугой) появляются сибирские хвойные деревья, в том числе и господствующая сейчас даурская лиственница.
Вторая межледниковая эпоха характеризуется преобладанием горной тайги, типичной сейчас для южных районов Якутии; растительность же времени последнего оледенения, среди которой отсутствовали темнохвойные деревья, уже мало отличалась по видовому составу от современной. Правда, по данным А.П. Васъковского, фирновая линия и граница леса опускались тогда в горах на 400—500 м ниже, а северный предел распространения лесов был заметно смещен к югу, но, как и в настоящее время, в неоледеневавших участках сочетались элементы восточносибирских северо-таежных, тундровых и степных ландшафтов.
