На западе территория округа граничит с Архангельской областью и республикой Коми, на юге с Ханты-Мансийским автономным округом, на востоке - с Красноярским краем, с севера и северо-запада омывается водами Карского моря.
Крайняя северная точка материковой части округа расположена на полуострове Ямал на 73` 30``северной широты, что почти на 800 километров севернее Полярного круга. Ещё севернее расположены входящие в состав округа острова Карского моря.

Крайний север Западно-Сибирской равнины неоднократно подвергался оледенению и опускался ниже уровня моря. Затапливались древние речные долины, что привело к образованию Байдарацкой, Обской, Тазовской и Гыданской губ, которые расчленили северную часть Западной Сибири на гигантские полуострова: Ямальский, Тазовский и Гыданский.

Расположение округа в середине северной части Евразии, в большом удалении от Атлантического и Тихого океанов, определило резко континентальный тип климата. Северный Ледовитый океан в течение года скован льдом, поэтому, естественно, не оказывает смягчающего влияния на климат. Средняя годовая температура южной части округа равна - 6,6¦, на севере - 10,2¦ по Цельсию (С). Зима на Ямале продолжительная и суровая, средняя температура января - 27¦, абсолютный максимум января +3¦, абсолютный минимум -59¦C. Лето на территории округа короткое, средняя температура июля +16¦ , абсолютный максимум +37¦, абсолютный минимум -5¦С.

Для региона типичны полярные день и ночь, так как Ямал расположен между 68 и 73 градусами северной широты. Непрерывный день на 68 параллели длится 47 суток (с 30 мая по 15 июля), а на 73 - 92 суток (с 8 мая по 7 августа). Продолжительность полярной ночи на этих же широтах составляет соответственно 21 сутки (с 13 декабря по 2 января) и 75 суток (с 15 ноября до 28 января).

При высокой относительной влажности прибрежные районы округа отличаются исключительной облачностью. Общее годовое количество осадков колеблется от 230 до 400 миллиметров. Средняя годовая скорость ветра - около 7 метров в секунду, при снежных бурях - до 15 метров в секунду и выше. Около 140 дней в году - с метелями. 80-90 дней в году на территории, прилегающей к акватории Карского моря, наблюдаются туманы, причём, в течение 10 дней - особо опасные (видимость менее 100 метров).

Льдообразование в Карском море у берегов начинается во второй половине октября, припай формируется спустя 10-20 дней после образования первичного слоя льда. Таяние льдов - в конце мая - июне. Максимальные скорости ветра в навигационный период обычно не превышают 25 метров в секунду.

Территорию округа пересекают судоходные реки: Обь, Надым, Пур, Таз. К их бассейнам относятся все малые реки округа. Исключение составляют реки тундровой зоны (полуостров Ямал и Гыданский полуостров).

Наиболее крупные реки полуостровов - Юрибей (около 450 километров), Мордыяха (300 километров), Харасавэй (300 километров) и Сеяха (165 километров). Эти реки равнинного типа с низкой скоростью течения, сильно мелеющие летом, и почти непроходимые даже для моторных лодок.

Территория округа изобилует озёрами (более 5000), в большинстве своём не большими (до нескольких сотен метров в поперечнике). Но есть и крупные - диаметром 10-20 километров.
Крупные озёра освобождаются ото льда лишь в середине лета, а замерзают уже во второй половине октября.

Почвы Ямала отличаются избыточной увлажнённостью, чему способствуют незначительное испарение (20-25 процентов от влаги, поступающей в виде осадков) и наличие слоя многолетней мерзлоты.