Область расположена между долиной Колымы на западе и окраинными массивами Колымской горной системы на востоке. В состав ее входят Юкагирское плоскогорье и низкогорные массивы крайних северо-восточных отрогов Момского хребта.
Северная половина области включает наименее приподнятую часть Юкагирского плоскогорья (300—400 м) и занимает приколымские районы Олойской тектонической впадины, сложенные преимущественно верхнеюрскими и меловыми эффузивными породами. Южные районы входят в состав более древнего Приомолонского прогиба и сложены сильно дислоцированными метаморфизованными палеозойскими и докембрийскими породами, прикрытыми на востоке чехлом триасовых и юрских обломочных отложений. Высота плоскогорья возрастает здесь до 500—700 м, а отдельные горы, сложенные гранитами, поднимаются выше 1000 м (Чубукулах — 1128 м).
Территория области расположена в зоне воздействия северных морей, несколько умеряющих континентальность ее климата. Поэтому средняя температура января здесь от —36 до —40°, а июля 9—12°. Осадков выпадает 200—350 мм, из них 125—250 мм в теплое время года. Мощность снежного покрова достигает 55—70 см.
Большая часть территории области покрыта редкостойными низкобонитетными горными лиственничными лесами и редколесьями на маломощных щебнистых мерзлотно-таежных почвах. Они поднимаются здесь до высоты 400—600 м. Более повышенные участки безлесны и заняты зарослями кедрового стланика или каменистыми тундрами.
