На природные условия округа влияет, прежде всего, его расположение в холодном арктическом поясе.Выделяются два климатических района: полярный (южная часть территории округа) и субарктический (северная и восточная части). Средняя температура в январе от −12 °C на юго-западе до −22 °C на северо-востоке, средняя температура в июле от +6 °C на севере до +13 °C на юге. Многолетняя мерзлота занимает почти всю центральную и северо-восточную части округа.
Солнечных дней в году до 100. Часто наблюдаются туманы: от 64 до 100 дней в году на побережье и от 37 до 72 дней в глубине территории.
Ненецкий округ подвержен систематическому вторжению атлантических и арктических воздушных масс. Частая смена воздушных масс — причина постоянной изменчивости погоды. Зимой и осенью преобладают ветры с южной составляющей, а летом — северные и северо-восточные, обусловленные вторжением холодного арктического воздуха на нагретый материк, где атмосферное давление в это время понижено.
Вся территория округа расположена в зоне избыточного увлажнения. Годовое количество осадков колеблется от 400 мм (на побережьях морей и арктических островах) до 700 мм. Минимум осадков наблюдается в феврале, максимум — в августе-сентябре. Не менее 30 % осадков выпадает в видеснега.
Средняя продолжительность гроз составляет 10-20 часов в год на западе, востоке и юге округа. На севере округа – менее 10 часов в год.
По ветровому давлению округ относится к IV району (800 Па) на юге; V району (1000 Па) в северной части; VI району (1250 Па) на островах Колгуев и Вайгач, а также на полуострове Канин.
По толщине стенки гололеда округ относится к II району (15мм) на востоке и западе; III району (20мм) на островах Колгуев, Вайгач и полуострове Канин; IV району на территории хребта Пай-Хой.
Рельеф:
Основная часть территории округа имеет равнинный рельеф. Равнинная часть почти на 90% лежит в пределах высот до 100 метров над уровнем моря; вследствие чего округ изобилует мелкими озерами (соединенных короткими протоками) и болотами (10-20 % территории). Среди выделяющихся возвышенностей можно назвать Тиманский кряж и хребет Пай-Хой (высота до 467 м). Главная река региона – Печора и ее притоки. Характерная особенность местности – малая доля подземных вод (менее 5-10% от водного баланса территории).
Ввиду перечисленных природных особенностей вся территория НАО обладает ранимой, крайне чувствительной, трудно и медленно восстанавливающейся экосистемой.