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 практически на 800 километров севернее Полярного круга. Ещё севернее расположены входящие в состав округа острова Карского моря.

Крайний север Западно-Сибирской равнины много раз подвергался оледенению и опускался ниже уровня моря. Затапливались древние речные равнины, что стало причиной образованию Байдарацкой, Обской, Тазовской и Гыданской губ, которые расчленили северную часть Западной Сибири на огромные полуострова: Ямальский, Тазовский и Гыданский.

Размещение округа в середине северной части Евразии, в громадном удалении от Атлантического и Негромкого океанов, нашло резко континентальный тип климата. Северный Ледовитый океан в течение года скован льдом, исходя из этого, разумеется, не оказывает смягчающего влияния на климат. Средняя годовая температура южной части округа равна - 6,6¦, на севере - 10,2¦ по шкале Цельсия (С). Зима на Ямале продолжительная и жёсткая, средняя температура января - 27¦, безотносительный максимум января +3¦, полный минимум -59¦C. Лето на территории округа маленькое, средняя температура июля +16¦ , полный максимум +37¦, безотносительный минимум -5¦С.

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

При высокой относительной влажности прибрежные районы округа отличаются исключительной облачностью. Общее годовое число 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 - очень страшные (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 последних числах Мая - июне. Большие скорости ветра в навигационный период в большинстве случаев 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 территории (полуостров Ямал и Гыданский полуостров).

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

Территория округа изобилует озёрами (более 5000), в большинстве своём не громадными (до нескольких сотен метров в поперечнике). Но имеется и большие - диаметром 10-20 километров.
Большие озёра освобождаются ото льда только в середине лета, а мёрзнут уже во второй половине октября.

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