Северо-восточная сибирь расположена на крайнем северо-востоке Евразии на стыке трёх литосферных плит — Евразийской, Северо-Американской и Тихоокеанской, что определило исключительно сложный рельеф территории. К тому же в течение длительной геологической истории здесь неоднократно происходили кардинальные перестройки текто- и морфогенеза.
Если принять, что территория Северо-Восточной Сибири соответствует позднемезозойской Верхояно-Чукотской складчато-покровной области, то её границами служат: на западе — долины Лены и нижнего течения Алдана, откуда, пересекая Джугджур граница выходит к Охотскому морю; на юго-востоке граница проходит по низменности от устья Анадыря до устья Пенжины; на севере — моря Северного Ледовитого океана; на юге и востоке — моря Тихого океана. Некоторые географы не включают в состав Северо-Восточной Сибири тихоокеанское побережье, проводя границу по водоразделу рек бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.
В докембрии и палеозое на этой территории появились срединные массивы в виде отдельных микроконтинентов (Колымо-Омолонский и др.), которые во время мезозойской складчатости были вплетены в кружева складчатых гор. В конце мезозоя территория испытала пенепленизацию. В это время здесь был ровный тёплый климат с хвойно-широколиственными лесами, а по суше на месте Берингова пролива сюда проникала североамериканская флора. Во время альпийской складчатости мезозойские структуры были расколоты на отдельные блоки, одни из которых поднялись, а другие опустились. Срединные массивы поднялись целиком, а там, где они раскалывались, выходила лава. В это же время опустился шельф Северного Ледовитого океана и рельеф Северо-Восточной Сибири приобрёл облик амфитеатра. Самые высокие его ступени идут по западной, южной и восточной границе территории (Верхоянский хребет, Сунтар-Хаята и Колымское нагорье). Ступенью ниже идут многочисленные плоскогорья на месте срединных массивов (Янское, Эльгинское, Юкагирское и др.) и хребет Черского с высшей точкой Северо-Восточной Сибири — горой Победа (3003 м). Низшей ступенью являются заболоченные Яно-Индигирская и Колымская низменности.