L'isola è situata nella parte sud-orientale del mare di Kara, a nord della penisola di Eremeev (полуостров Еремеева, poluostrov Eremeeva), che è parte della più grande penisola del Tajmyr. A sud, è separata dalla terraferma dallo stretto di Fram (пролив Фрам, proliv Fram), largo 2,3 km; a nord, è separata dalle isole di Vil'kickij dallo stretto di Matisen (пролив Матисена, proliv Matisena), largo circa 8 km; a est, lo stretto di Sverdrup (пролив Свердрупа, proliv Sverdrupa) la separa dall'isola Bonevi e dalla grande isola Tajmyr. Fa parte della Riserva naturale del Grande Artico.[1]
L'isola è stretta, allungata e curva; ha una forma che somiglia a una V, con il vertice rivolto a sud-est e i bracci allargati. Misura circa 21 km di lunghezza e 2,5 km di larghezza.
Nella parte centrale raggiunge un'altezza massima di 58 m s.l.m.; all'estremità settentrionale l'elevazione è di 20 m, nella parte occidentale è di 32 m.
Le coste sono irregolari, con molte insenature alternate a piccoli promontori. Nel congiungersi, i due bracci formano la grande baia di Alekseev (бухта Алексеева, buchta Alekseeva). Il punto più settentrionale è il capo Scott-Hansen (мыс Скотт-Гансена), quello più orientale è capo Razvalin (мыс Развалин), quello più occidentale è capo Johansen (мыс Иогансена) e quello più meridionale è capo Eftifeev (мыс Ефтифеева).
Sono presenti 5 corsi d'acqua stagionali, tutti nel braccio meridionale, mentre in quello settentrionale ci sono 2 piccolissimi laghi.
Geologicamente, l'isola di Nansen e le isole vicine sono una continuazione dell'arcipelago di Nordenskiöld, e talvolta sono considerate parte di esso.
Il clima è rigido e l'isola e il mare attorno sono coperti di ghiaccio per gran parte dell'anno, con aperture naturali (le cosiddette polynya, dal russo полынья polyn'ja)[2][3] in inverno e lastroni galleggianti, dovuti al parziale disgelo, d'estate.
Isola Bonevi (остров Боневи), a sud-est, a metà strada tra Nansen e Tajmyr.
Isola Nabljudenij (остров Наблюдений, in italiano "isola di controllo"),[6] a sud est, nello stretto di Zarja. Ha una forma rettangolare, con il lato orizzontale che misura circa 700 m e quello verticale 500 m.[7]76°08′04.74″N 95°00′09.58″E76°08′04.74″N, 95°00′09.58″E
Isola Valunnyj (остров Валунный, "sassosa"),[8] a sud-est di Nansen e a ovest di Nabljudenij, è una piccola isola rotonda lungo la costa continentale, dal diametro di circa 200 m.[7]76°07′57.648″N 94°57′48.672″E76°07′57.648″N, 94°57′48.672″E
Isola Ploskij (остров Плоский, "piatta"),[9] a sud-est di Nabljudenij, è un'altra piccola isola dalla forma ovale. 76°07′39.288″N 95°02′03.264″E76°07′39.288″N, 95°02′03.264″E
Isola Rifovyj (остров Рифовый, "isola scoglio"),[10] a sud di Nansen, è un minuscolo isolotto, lungo la penisola di Eremeev. 76°09′28.008″N 94°50′41.784″E76°09′28.008″N, 94°50′41.784″E
Isola Vchodnoj (остров Входной, "d'ingresso"),[11] all'estremità occidentale di Nansen, è un'isola che misura circa 750 m di lunghezza e 450 m di larghezza.[7]76°11′22.63″N 94°25′33.276″E76°11′22.63″N, 94°25′33.276″E
Isola Pravdy (остров Правды, "della verità"),[12] a nord-ovest, a nord della baia di Alekseev. Di forma allungata, misura approssimativamente 2,5 km di lunghezza e 1 km di larghezza massima nella parte centrale.[7] Il punto più alto è di 18 m s.l.m.76°16′12.25″N 94°45′18.07″E76°16′12.25″N, 94°45′18.07″E
Altre due isole senza nome si trovano tra Pravdy e il braccio settentrionale di Nansen.