Северная Земля была открыта русской гидрографической экспедицией в 1913 г. И только в 1930–1932 гг. экспедиция Арктического института (начальник Г. А. Ушаков) установила расположение островов, произвела их исследование и составила первую карту архипелага.
Северо-восточные берега островов крутыми обрывами высотой в несколько сотен метров спускаются к морю. Острова сложены породами протерозоя и палеозоя, смятыми в складки и прорванными гранитоидами палеозойского возраста. Берега расчленены глубокими крутостенными долинами со следами ледниковой деятельности. Многие из них превращены в фьорды. Долины продолжаются и под уровнем моря до уступа материкового склона, что подтверждает недавнее затопление морем прибрежной суши. Юго-западные берега островов низкие, сложенные преимущественно новейшими морскими отложениями с отдельными выходами пермских и мезозойских пород. Многочисленные мелководные заливы вдаются далеко в сушу и создают большую извилистость береговой линии с полуостровами и множеством мелких островов. На территории, свободной от ледниковых покровов, четко выделяются три типа рельефа: прибрежно-морская низменная аккумулятивная равнина, внутренняя денудационная низменная равнина; высокое плато, частично покрытое ледником.
Область Северной Земли расположена в более континентальном арктическом климате и характеризуется значительной деградацией ледников, но развитием жильных льдов. Современными ледниками покрыто около 45% площади островов. Оледенение относят к покровному типу, так как оно представлено ледяными куполами и покровами. От них лед спускается к морю и образует айсберги. На островах широко распространены навеянные ледники и фирновые поля. Ледники островов малоактивны, так как обладают малой энергией оледенения.
Климат островов морской, арктический. Средняя температура воздуха в январе -30… – 31 °С. Минимальная температура зимой достигает -47 °С. Летом наивысшая температура поднимается до 6,2 °С. Средняя температура июля +0,8 °С. За год выпадает от 150 до 300 мм осадков, преимущественно летом; максимум их приходится на август. На глубине 15 см залегает многолетняя мерзлота. Вследствие сурового климата растительность и животный мир островов очень бедны. На южных островах, на прибрежных равнинах поселяются лишайники, мхи, камнеломки, дриада, незабудки. Там же встречаются небольшие стада диких северных оленей, белый медведь, наиболее широко распространены песец и лемминг; последний селится обычно на южных склонах возвышенностей. На восточном обрывистом побережье архипелага располагаются птичьи базары. На них гнездятся чистики, белые и полярные чайки, пуночки. Первыми в начале мая прилетают пуночки. После исчезновения припайного льда на южных песчаных и песчано-глинистых берегах образуют лежбища моржи. Там они держатся до появления льдов (до октября), а затем уходят в ледяные районы, где есть разводья и трещины.