Архипелаг Шпицберген лежит между 76°28′ и 80°48′ с. ш. Острова архипелага возвышаются на подводном пороге, разделяющем котловины Гренландского и Норвежского морей.
Рельеф островов гористый. Горы, созданные каледонской складчатостью в начале палеозойской эры, представляют собой горстовые глыбы, приподнятые по линиям разломов, происходивших в последующие геологические эпохи. Глыбовые массивные хребты разделены между собой впадинами грабенов, в которых сохранились толщи морских и континентальных отложений. Наиболее интересные среди них каменноугольные пласты верхнепалеозойского, мезозойского и третичного возрастов. В периоды накопления каменных углей природные условия Шпицбергена резко отличались от современных. В каменноугольную эпоху низменности островов были покрыты густыми зарослями лепидодендронов и каламитов, в меловом периоде на них произрастали гингковые леса, в третичный период — субтропические широколиственные леса. Климат островов был жарким и влажным.
Самый важный каменноугольный бассейн — третичного возраста — занимает среднюю часть Западного Шпицбергена, где угли залегают на пространстве от Исфьорда до мыса Южного. Запасы их оцениваются в 5. млрд. т.
В четвертичный период архипелаг подвергался двукратному оледенению, в настоящее время имеет ледяной покров «шпицбергенского» типа, т. е. такой, который не полностью скрывает гористый рельеф. Ледники заполняют долины, перетекают из одной долины в другую по низким перевалам, образуют местами небольшие поля и щиты, но самые высокие вершины гор поднимаются из-под ледяного покрова в виде острых и зубчатых гребней. Мощность льдов непостоянна, но, видимо, не превышает 200 м.