Le paysage traversé par la Kolyma est d'une beauté austère et change radicalement au fil de son cours. Dans sa partie supérieure, le fleuve serpente à travers des gorges profondes et des montagnes, avec des rapides qui rendent la navigation difficile. Il contourne les massifs imposants des monts Tcherski et de la chaîne Poliarny avant de déboucher plus au nord dans une vaste plaine marécageuse et parsemée de milliers de lacs : la plaine de la Kolyma, qui fait partie de la grande plaine de Sibérie orientale. C'est dans cette dernière partie que son lit s'élargit, que le courant se fait plus lent et que le fleuve se divise en de multiples bras avant de former un vaste delta d'environ 3000 kilomètres carrés. Il achève alors sa course en se jetant dans la baie de la Kolyma, qui fait partie de la mer de Sibérie orientale, un océan glacial. Son débit moyen est considérable, atteignant environ 3900 mètres cubes par seconde à l'embouchure, avec des pointes de crues dépassant les 26 000 mètres cubes par seconde lors de la fonte des neiges en juin.

La caractéristique la plus marquante de la Kolyma est son extraordinaire climat de glace. Pendant près de huit mois par an, d'octobre à début juin, le fleuve gèle sur plusieurs mètres d'épaisseur. Ce n'est qu'avec l'arrivée d'un été bref que la glace se brise, libérant une masse d'eau déchaînée. Cette fonte massive, alimentée par la neige et la pluie, donne lieu à une crue spectaculaire qui transforme le fleuve en un torrent chargé d'énormes quantités de sédiments et de matière organique. L'eau, alors teintée d'un brun noir par les acides humiques des sols dégelés, se déverse dans l'océan Arctique, créant un panache visible depuis l'espace. Ce phénomène est essentiel pour le cycle du carbone à l'échelle planétaire, car le bassin de la Kolyma repose sur un immense tapis de pergélisol formé au Pléistocène, dont une forme particulièrement riche en carbone appelée yedoma. Le changement climatique menace aujourd'hui la stabilité de ce pergélisol, ce qui pourrait libérer d'anciennes matières organiques et accélérer les émissions de gaz à effet de serre.

Derrière sa beauté sauvage, la Kolyma cache une histoire tragique qui a marqué les mémoires. Le nom de la rivière est devenu synonyme de l'un des systèmes de camps de travail forcé (Goulag) les plus terribles de l'ère stalinienne. Entre 1932 et 1954, des centaines de milliers de prisonniers, peut-être plus d'un million, ont été envoyés dans cette région reculée pour y extraire de l'or, construire des routes et couper du bois dans des conditions d'une extrême brutalité. Cette époque est immortalisée dans les récits glaçants de Varlam Chalamov, notamment dans ses Récits de la Kolyma. Aujourd'hui, après la fermeture des camps, la région reste très peu peuplée. Les communautés qui subsistent, principalement des Russes et des peuples autochtones comme les Evènes et les Sakhas, vivent de la pêche et de la chasse. La présence humaine se manifeste aussi par un exploit technique : le barrage hydroélectrique de la Kolyma, construit près de la ville de Sinégorié, est l'un des plus grands barrages jamais édifiés sur un pergélisol, avec un système de tubes de refroidissement pour stabiliser le sol gelé.