Đồng bằng Nullarbor trước đây nằm sâu dưới đáy biển nhưng do thời gian khu vực đã được nâng dần lên, thông qua sự hiện diện của Động vật hình rêu, trùng lỗ, Cầu gai và tảo đỏ có chứa canxi xương tạo nên đá vôi.[11] Khu vực này cũng là vị trí của "đá vôi Nullarbor" và nó có một danh tiếng cũng như một ý nghĩa đối với việc hình thành các Karst và hang động trong khu vực trong thời kỳ địa chất Oligocen và Miocen.[11][12]

Có một giả thuyết cho rằng toàn bộ khu vực này được nâng lên bởi từ lớp vỏ trong kỳ Miocen, và kể từ đó, sự xói mòn bởi gió và mưa đã làm bào mòn, làm giảm độ dày khiến khu vực trở lên bằng phẳng như ngày nay.[11]

Trong khu vực, gió biển từ phía nam thổi qua nhiều hang động dưới lòng đất, tạo thành nhiều lỗ phun cách bờ biển chỉ vài trăm mét. Các hang động Murrawijinie ở tiểu bang Nam Úc mở cho công chúng tham quan, nhưng hầu hết các hang động Nullarbor ở phía Tây Úc chỉ có thể truy cập được khi có giấy phép của Sở Công viên và Động vật Hoang dã (DPaW) trực thuộc Bộ Môi trường và Bảo tồn Tây Úc.

Đồng bằng Nullarbor được biết đến với rất nhiều các hóa thạch thiên thạch, được bảo quản rất tốt trong khí hậu khô cằn. Đặc biệt, nhiều thiên thạch đã được phát hiện xung quanh Mundrabilla, một số có trọng lượng lên đến vài tấn.[13]

Theo Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, đất của Nullarbor chủ yếu được coi là đất sa mạc.

Nullarbor có khí hậu sa mạc khô cằn. Nội địa, mùa hè cực kỳ nóng, với nhiệt độ ban ngày lên tới gần 50 °C (122 °F), trong khi vào mùa đông, ban đêm nhiệt độ có thể xuống dưới 0 °C. Gần về phía bờ biển, nhiệt độ dịu hơn với lượng mưa nhiều trong những tháng mùa đông. Lượng mưa trung bình hàng năm là 184,1 mm (7.25 in), tập trung hầu hết vào các tháng giữa tháng 5 và tháng 8. Mùa hè rất khô, chỉ có những trận bão đem lượng mưa tới, tuy nhiên những cơn bão nhiệt đới có thể gây ra lượng mưa lớn trong những tháng mùa hè.[14] Nhiệt độ ở vùng đồng bằng dao động từ 49,8 °C (121,6 °F) tại Mundrabilla là nhiệt độ nóng thứ 4 được ghi lại ở Úc, và hạ đến -7,2 °C (19,0 °F) ở Eyre, là nhiệt độ lạnh nhất được ghi nhận ở Tây Úc.[15]