В геологическом отношении территория НАО принадлежит двум разновозрастным докембрийским осадочным плитам:  Русской и Печорской. Граница между ними – глубинные разломы западного Тимана.

Плиты имеют двухэтажное строение: нижний этаж — интенсивно дислоцированный складчатый фундамент, верхний — полого залегающий, слабо дислоцированный осадочный чехол. Фундамент Русской плиты сформировался к середине протерозоя, фундамент Печорской плиты – во второй половине протерозоя (балтийская складчатость). Оба фундамента после своего формирования подверглись неоднократным преобразованиям, были разбиты разломами, одни участки приподнялись, другие, наоборот, погрузились. После формирования фундамента (1 ярус) поверхность стала неровной. Фундамент Печорской плиты выходит на  поверхность в Тиманском кряже и Канинском Камне, на стыке с Русской плитой. Осадочный чехол этой плиты (2 ярус) сформировался благодаря периоду теплого моря, когда был расцвет растительности и животного мира. Растения и животные отмирали, заносились песком и илом и разлагались. Таким образом появились нефть и газ на территории округа.

Самые древние участки земной коры на территории округа – Тиманский и Канинский кряжи (байкальская складчатость), хребет Пай-Хой (герцинская складчатость). В конце протерозоя территория п-ва Канин и Северного Тимана являлась очень подвижной, было глубокое погружение фундамента, где в течение десятков миллионов лет откладывались многокилометровые толщи осадочных пород протерозоя. В начале палеозоя толща песчано-глинистых осадков из-за воздействия сильного давления и высокой температуры была смята в складки. Осадочные образования протерозоя превратились в сланцы, кварциты. Вторглись магматические горные породы, таким образом появились цветные металлы.

В середине палеозойской эры происходит мощная вулканическая деятельность. По расколам в земной коре проникает базальтовая магма, следствием которой стало появление агата, аметиста, поделочного камня (Северный Тиман, р. Белая). Геосинклинальный режим существовал до конца палеозоя в районе Пай-Хоя и о.Вайгач, об этом свидетельствуют мощные толщи известняков, песчаников, глин. В разломы земной коры поступали гидротермальные растворы, взаимодействовали с известняками, вследствие чего образовались свинец, цинк, медь (о. Вайгач) и флюорит (Пай-Хой).

На первом месте среди природных запасов – нефть и газ. На материковой части НАО открыто 76 месторождений нефти и газа. Например, для обеспечения Нарьян-Мара газом эксплуатируется Василковское месторождение (1969). Нефть с материковых месторождений – Харьягинского и Ардалинского – транспортируется по трубопроводу, с Песчаноозёрского  (о. Колгуев) – танкерами. Большинство месторождений залегают на глубине от 2 до 2,5 км.

На Пай-Хое и гряде Чернышева есть месторождения каменного угля. Большая заслуга открытия этого полезного ископаемого на Пай-Хое принадлежит геологу А.А.Чернову. К сожалению, качество этого угля достаточно низкое из-за высокой зольности.

Весьма значительны потенциальные запасы других полезных ископаемых. На Тиманском и Канинском кряжах есть проявления марганца, бокситов, никеля, меди, молибдена, золота, алмазов, агатов, крупное месторождение флюорита.