L'île est couverte dans sa partie centrale et méridionale par deux massifs montagneux érodés d'orientation est-ouest. Le point culminant de l'île, le mont Sovetskaïa (1 093 m), est situé au sud de l'île. Les montagnes du centre sont parcourues par de nombreuses vallées protégées et bénéficiant de conditions climatiques comparativement plus clémentes durant le bref été arctique. La moitié nord de l'île consiste en de vastes plaines basses parsemées de nombreux lacs et cours d'eau (5 d'entre eux ayant plus de 50 km de long). Des plaines de toundra moins étendues couvrent le littoral sud. Les rivages sont variés, avec de hautes falaises, des lagons côtiers, des marais et des plages de sables, rochers ou galets.
L'Île Wrangel bénéficie d'un climat de type polaire. Les hivers sont très froids et les étés sont très frais. En février, le mois le plus froid, la température moyenne journalière est voisine de -25 °C. En juillet, le mois le plus chaud, la température moyenne journalière excède légèrement 0 °C. Les eaux froides de l'océan glacial Arctique jouent un rôle modérateur et contribuent à maintenir des températures basses toute l'année. Les précipitations sont faibles et ont lieu essentiellement en été. La neige ne recouvre le sol que 79 jours par an en moyenne. Le vent souffle avec vigueur une bonne partie de l'année (vitesse annuelle moyenne du vent : 5 m/s). Le brouillard est fréquent.
| mois | jan. | fév. | mar. | avr. | mai | jui. | jui. | aoû. | sep. | oct. | nov. | déc. | année |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température minimale moyenne (°C) | -26,7 | -28,6 | -27,6 | -21,2 | -9,8 | -1,5 | 0,6 | 0,2 | -2,9 | -10,2 | -18,0 | -24,7 | -14,2 |
| Température moyenne (°C) | -22,3 | -25,2 | -24,7 | -18,0 | -6,7 | 0,3 | 2,4 | 2,1 | -0,9 | -8,0 | -14,8 | -21,3 | -11,4 |
| Température maximale moyenne (°C) | -19,2 | -21,1 | -19,8 | -13,3 | -4,1 | 3,0 | 5,3 | 4,5 | 0,8 | -5,4 | -11,9 | -18,1 | -8,2 |
| Précipitations (mm) | 16 | 9 | 9 | 8 | 8 | 13 | 23 | 28 | 22 | 15 | 17 | 11 | 179 |