Ненецкий автономный округ расположен на севере Восточно-Европейской равнины, бо́льшая часть расположена за Полярным кругом.
Климат повсеместно субарктический, на побережье переходящий в умеренно морской: средняя температура января — от −3 °C на побережье до −22 °C на юго-востоке, средняя температура июля — от +8 °C на побережье до +16 °C на юге; количество осадков — около 350 мм в год; многолетняя мерзлота.

Ненецкий округ подвержен систематическому вторжению атлантических и арктических воздушных масс. Частая смена воздушных масс — причина постоянной изменчивости погоды. Зимой и осенью преобладают ветра с южной составляющей, а летом — северные и северо-восточные, обусловленные вторжением холодного арктического воздуха на нагретый материк, где атмосферное давление в это время понижено.

Температура воздуха в летний период определяется величиной солнечной радиации и потому закономерно повышается с севера на юг. Средняя температура июля в Нарьян-Маре составляет +12° С. В холодную половину года основным фактором температурного режима является перенос тепла с Атлантики, поэтому отчётливо выражено понижение температуры с запада на восток. Средняя температура января в Нарьян-Маре — −18° С, зима длится, в среднем, 220—240 дней. Вся территория округа расположена в зоне избыточного увлажнения. Годовое количество осадков колеблется от 400 мм (на побережьях морей и на арктических островах) до 700 мм. Минимум осадков наблюдается в феврале, максимум — в августе — сентябре. Не менее 30 % осадков выпадает в виде снега, присутствует многолетняя мерзлота.