Le Bouclier canadien est le noyau du continent nord-américain. Les autres structures géologiques sont venues s'installer dessus ou autour, des millions d'années après qu'il se soit formé. Les Rocheuses sont relativement jeunes sur l'échelle géologique, puisqu'elles se sont formées il y a seulement 60 millions d'années. La plupart des roches du Bouclier sont quant à elles plus âgées d'un milliard d'années, et remontent au tout premier chapitre de l'histoire de la planète, le Précambrien.

Ce qui a probablement été autrefois une imposante chaîne de montagnes n'est plus maintenant qu'une ondulante plaine de vieux substrat rocheux. Pendant la fin de l'ère précambrienne, de violents soubresauts de l'écorce terrestre ont déformé, plié et crevassé le Bouclier. La base de la plus grande partie de l'écozone est maintenant du gneiss, une roche très feuilletée formée dans des conditions de chaleur et de pression intenses. Nombre des minéraux qui contribuent à l'économie de l'écozone du Bouclier boréal se sont formés à cette époque de grande violence géologique.

Pendant le dernier âge glaciaire, qui s'est terminé il y a 10 000 ans, les glaciers se sont avancés et ont modelé à maintes reprises l'écozone du Bouclier boréal, creusant de profondes rainures dans le substrat rocheux et transportant sur des kilomètres d'énormes blocs de pierre. Pendant les reculs, ils ont recouvert une grande partie du paysage de gravier, de sable et autres dépôts glaciaires. Ce sont ces dépressions mal drainées, ainsi que les failles naturelles du substrat, qui forment les millions de lacs, mares et terres humides qui donnent aujourd'hui son caractère et son charme distinctifs à l'écozone.

Le climat de l'écozone est généralement continental, avec des hivers longs et froids et des étés courts et chauds. Les masses d'air froid sur la baie d'Hudson donnent à la région des précipitations relativement abondantes, allant de 400 mm dans l'ouest à 1 000 mm dans l'est. La température moyenne est de -15 °C au coeur de l'hiver et de 17 °C au milieu de l'été. Le nombre annuel de jours sans gel varie de 60 à 100. Les régions de l'écozone situées à proximité des Grands Lacs ou de l'Atlantique ont tendance à être plus chaudes en hiver et plus fraîches en été, en raison de l'effet modérateur de ces grandes masses d'eau.