Рельеф и геологическое строение дна. С. Л. о. отличается от других океанов меньшими глубинами (средняя1130 м, наибольшая 5449 м, в котловине Нансена) и сильно развитой материковой отмелью, максимальная ширина которой достигает 1300 км (в Баренцевом море). Северо-Европейский бассейн отделен от Атлантического океана цепью поднятий дна (подводные пороги Уайвилла Томсона, Фареро-Исландский и Гренландско-Исландский), на которых расположены острова Шетлендские, Фарерские и Исландия. Восточная часть дна бассейна занята шельфами Баренцева и Белого морей. Характерные элементы строения дна Норвежского и Гренландского глубоководных морей — система подводных хребтов (Исландский, Мона и Книповича), которая вместе с подводным хребтом Гаккеля (в Арктическом бассейне) составляет самый сев. сегмент мировой системы срединноокеанических хребтов. Наименьшая глубина над вершинами подводных гор 900—1000 м. Проливом Фрама (между островами Гренландия и Шпицберген, максимальная глубина 3900 м в жёлобе «Лены») Северо-Европейский бассейн соединяется с Арктическим. Системой подводных хребтов — Гаккеля, Ломоносова и Менделеева (с подводным поднятием Альфа) Арктический бассейн делится на ряд глубоководных котловин. Хребты Ломоносова, Менделеева и поднятие Альфа отличаются от вулканического хребта Гаккеля континентальной геоструктурой, образованной складками ранне-среднемезозойского возраста, которые перекрыты осадочным чехлом (по мнению других исследователей, это положительные структуры океанической земной коры). Хребты обрываются крутыми (до 22°) склонами к сопредельным котловинам.
Окраинные арктические моря расположены на сравнительно ровном шельфе, прорезанном во многих местах желобами, являющимися основными каналами выноса суспензионного материала.
Донные осадки имеют неравномерную мощность и высокие скорости осадконакопления. Для материковой отмели характерны пёстрые по механическому составу терригенные, а для подводных хребтов и глубоководных котловин — глинистые терригенные осадки (тёмно-коричневые и коричневые пелитовые илы с редкой микрофауной). На материковом склоне, кроме того, появляются песчанистые илы с микрофауной фораминифер. Мощность осадочной толщи глубоководных котловин по сейсмическим данным достигает 1,5—2,5 км, а скорость осадконакопления местами 4—6 см за 1000 лет, в области материкового склона наблюдается несколько пониженная скорость осадконакопления — до 2—3 см за 1000 лет и мощность осадков до 1,5 км. На подводных хребтах и их склонах развит прерывистый осадочный покров мощностью 400—600 м.
Во всех типах осадков Арктического бассейна присутствует крупнообломочный материал (валуны, галька, гравий), разносимый дрейфующими льдами, а также образующийся при разрушении коренных пород на крутых склонах и вершинах подводных хребтов. На больших глубинах Северо-Европейского бассейна осадки представлены глобигериновым илом.
Климат. Характерные особенности климата определяются высокоширотным положением С. Л. о., обусловливающим преобладание радиационного выхолаживания над поступлением тепла от Солнца (см. Арктика, Арктический климат). Важную роль в формировании климата С. Л. о. играют также тёплые Северо-Атлантическое и Тихоокеанское течения; принос ими тепла в С. Л. о. составляет 60% от переноса тепла в атмосфере (по данным М. И. Будыко). В зимние месяцы (январь — апрель) над Арктическим бассейном располагается Арктический антициклон. Циклоны из Атлантики перемещаются на С. через моря Баффина и Гренландское и на В. через моря Норвежское, Баренцево и Карское; нередко проникают они и в приполюсный район. Летом устойчивые, но менее мощные, чем зимой, антициклоны наблюдаются в Арктическом бассейне к С. от Аляски и Чукотского моря и над Гренландией. Циклоническая деятельность развивается главным образом над С. Канады и Сибири, распространяясь на прилежащие районы С. Л. о. Над Северо-Европейским бассейном в течение всего года господствует ложбина Исландского минимума, а над Гренландией — максимум атмосферного давления. Поэтому над западной частью бассейна преобладают ветры северного и северо-западного направлений, обусловливая суровый арктический климат. В восточной части бассейна отмечаются преимущественно южные и юго-западные ветры. Вследствие этого, а также влияния тёплого Норвежского течения климат здесь более мягкий. Через Северо-Европейский бассейн проходит большое количество глубоких циклонов, вызывающих резкие перемены погоды, обильные осадки и туманы. Осенью и в особенности зимой сильное волнение, большая влажность и низкие температуры воздуха часто приводят к сильному обледенению судов, создавая опасность для мореплавания. Ветровой режим неустойчив (средняя скорость ветра 4—6 м/сек), но сильные ветры (более 15м/сек) бывают редко. В прибрежных районах заметно выражен сезонный (муссонный) ход направления ветра, и скорость его и число дней со штормами здесь значительно возрастают, особенно зимой. Средняя температура воздуха зимой в различных районах С. Л. о. колеблется от —2 до —40 °С, летом от 0 до 6 °С. Повторяемость облачности достигает 90% летом и 50% зимой. Атмосферные осадки выпадают в виде снега; дожди, чаще всего со снегом, бывают редко. Количество осадков в Арктическом бассейне не превышает 150, в Северо-Европейском бассейне — 250—300 мм в год. Толщина снежного покрова невелика, её распределение крайне неравномерно. Летом снежный покров почти повсеместно стаивает.
Гидрологический режим. Водо- и теплообмен С. Л. о. с прилежащими океанами в значительной мере обусловлен его положительным пресным балансом; крупнейшие реки, впадающие в С. Л. о. (Северная Двина, Обь, Енисей, Хатанга, Лена, Колыма, Макензи и др.), приносят в океан около 5000 км3 пресной воды ежегодно. Такое количество воды могло бы образовать в С. Л. о. слой толщиной около 40 см, т. е. в 3 раза больше, чем в среднем по Мировому океану. Распреснённые (солёность менее 32°/оо) материковым стоком и холодные (с температурой ниже —1 °С) поверхностные воды и льды выносятся мощными Восточно-Гренландским течением и Лабрадорским течением в Атлантику. Общий сток этих течений около 250 тыс. км3 в год. Вынос компенсируется притоком тёплых (до 10 °С) и высокосолёных (34,9—35,2о/оо) вод из Атлантического и Тихого океанов: из первого — ветвями Северо-Атлантического течения — Норвежским (135 тыс. км3) и Ирмингера, и из второго — Берингово-морским течением (с последним поступает лишь около 30 тыс. км3 в год).
Основными водными массами С. Л. о. являются поверхностные, промежуточные, глубинные и донные. В отличие от Арктического бассейна, 95% объёма которого занимают мало измененные промежуточные — тихоокеанские, тёплые глубинные — атлантические и донные воды из Норвежского моря, более 80% объёма Северо-Европейского бассейна занимают воды местного образования — холодные промежуточные и донные воды. Последние являются самыми холодными (до —1,3 °С) и самыми плотными среди донных вод Мирового океана. Тёплые атлантические воды Норвежского течения и его ветвей — Западно-Шпицбергенского и Нордкапского течений — занимают не более 8% объёма Северо-Европейского бассейна.