Вся территория автономного округа располагается в пределах Западно-Сибирской эпигерцинской плиты, фундамент которой сложен дислоцированными и метаморфизованными палеозойскими отложениями, близкими по своему характеру аналогичным породам Урала. Глубина залегания палеозойских пород в среднем 7 км.
Поверхность палеозойских пород нивелируется чехлом мезокайнозойских отложений, мощность которого превышает 1 км, а в отдельных впадинах и синеклизах палеозойского фундамента - 3 - 6 км.
Мезозойские свиты Западной Сибири представлены морскими и континентальными песчано-глинистыми отложениями. Общая мощность их в некоторых районах достигает 2,5 - 4 км. Чередование морских и континентальных фаций указывает на тектоническую подвижность территории и неоднократные смены условий и режима осадконакопления на опустившейся в начале мезозоя Западно-Сибирской плите.
В ходе своего развития Западно-Сибирская плита не раз захватывалась морскими трансгрессиями. Палеогеновые отложения преимущественно морские и состоят из серых глин, аргиллитов, глауконитовых песчаников, опок и диатомитов. Они накапливались на дне палеогенового моря.
Из Западной Сибири это море ушло в середине олигоцена, и она превратилась в огромную озерно-аллювиальную равнину. Поэтому верхнепалеогеновые отложения представлены здесь уже песчано-глинистыми континентальными фациями.
Дифференцированные опускания Западно-Сибирской плиты в мезозое и кайнозое обусловили преобладание в ее пределах процессов аккумуляции рыхлых отложений, мощный покров которых нивелирует неровности поверхности герцинского фундамента. Поэтому современная Западно-Сибирская равнина отличается в целом плоской поверхностью.
Особенно большое влияние на формирование ландшафтов севера Западной Сибири оказали события четвертичного периода. В течение этого времени территория испытывала неоднократные опускания и по-прежнему была областью морских и ледниковых отложений. Мощность четвертичного покрова достигает в северных и центральных районах 200 - 250 м. Нижнечетвертичные отложения представлены на севере равнины аллювиальными песками, заполняющими погребенные долины. Подошва аллювия располагается в них иногда на 200 - 210 м ниже современного уровня Карского моря. Выше их на севере обычно залегают доледниковые глины и суглинки с ископаемыми остатками тундровой флоры, что свидетельствует о начавшемся уже тогда заметном похолодании в Западной Сибири. Среднечетвертичное время в северной половине равнины было эпохой морских трансгрессий и неоднократного оледенения.
Остается много спорного в вопросах о характере, размерах и количестве древних оледенений этой территории. Мнения исследователей оледенения севера Западной Сибири разделяются. Так, по мнению геолога Сакса В.Н. и геоморфолога Лазукова Г.И., оледенение началось здесь еще в нижнечетвертичное время и состояло из четырех самостоятельных эпох: Ярской, Самаровской, Тазовской и Зырянской. Геологи Яковлев С.А. и Зубаков В.А. насчитывают даже шесть оледенений, относя начало наиболее древнего из них к плиоцену.
С другой стороны, есть сторонники и однократного оледенения Западной Сибири. Лишь одно четвертичное оледенение Западной Сибири признает геолог Громов В.И. По мнению географа Попова А.И. на территории Западной Сибири не было обширных ледниковых покровов, так как типичные морены имеются лишь в крайних западных (у подножия Урала) и восточных областях (вблизи уступа Среднесибирского плоскогорья).
Палеоботанические материалы позволяют считать, что после оледенения был период с несколько более сухим и теплым климатом, чем сейчас. Это подтверждается, в частности, находками пней и стволов деревьев в отложениях тундровых районов полуострова Ямал и полуострова Гыданский на 300 - 400 км севернее современной границы древесной растительности и широким развитием на юге тундровой зоны реликтовых крупнобугристых торфяников.