陆上极地环境天然气水合物的特征与永冻带密切相关。一般认为，自从上新世（距今约1．88Ma）以来的热条件导致了永冻带的形成和天然气水合物的持续存在。北半球大约20％的土地被永冻带所覆盖。地质学研究和关于海底条件的热力学建模也表明，在北极海的大陆架内可能存在永冻带和天然气水合物。在更新世的多次冰期时期，从北极的地面区域到大陆架水深120m处之内的广大范围内的温度条件都非常适宜永冻带和天然气水合物“遗留”下来。实际上，陆上近岸处的天然气水合物仅仅能与永冻带紧密相存。
19世纪20年代早期，在英格兰工作的JohnFaraday就开始了对新发现的天然气和氯气的研究。许多分子在特定条件下都可以形成水合物，一般以各种笼形包含物的形式存在。这些笼形水合物是“化学”性的，具有独特的非键合性质，科学家们对它们的研究已经延续了二百年。
在20世纪30年代和40年代，由于天然气和工业管线在自然环境中会因形成像蜡一样的硬壳结晶而发生堵塞，这种情况在较冷区域尤甚。这种管线的结晶物质通常十分稳定，而且即使在冬季的温度和压力环境下，也会给油气工业造成经济损失。研究发现这种结晶物是烃类混合气体构成的水合物（绝大部分为甲烷，还有一些乙烷、丙烷和/或丁烷）。它的稳定性要比由纯甲烷构成的水合物的稳定性范围宽得多。在输送前通过将天然气进行干燥处理的方法可以解决这种结晶问题。如果没有水，就不会形成天然气水合物。
天然气中80％～99．9％的成分是甲烷，故也有人将天然气水合物称为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，外貌似冰状，易点燃，故俗称其为“可燃冰”。天然气水合物的形成受控于多种因素的相互作用，其中包括温度、压力、气体组分，以及水的离子张力。
天然气水合物资源在陆地上主要分布于高海拔、北极地区的永久冻土区。据不完全统计全球直接或间接发现水合物矿点123处，海洋及少数深水湖泊114处，陆地永久冻土带9处。世界北半球20％的陆地由永久冻土覆盖，目前发现的天然气水合物也主要位于该区域，包括了加拿大马更些三角洲、美国阿拉斯加北坡、俄罗斯西伯利亚等地，这些地区冻土厚度大、地温梯度低、天然气水合物资源规模大。
加拿大马更些三角洲是目前世界上冻土区水合物研究最为详细的地区，该区位于加拿大西北部的波弗特（Beaufort）海－马更些盆地。钻探取芯和测井资料证实在800～1100米区间共有约110米厚的天然气水合物层，水合物产于第三系陆相碎屑沉积岩层段内，以中细粒砂岩为主，孔隙度在32％～45％，天然气水合物的饱和度最高达90％，气体来源既有微生物分解产生的甲烷，又有来自于深部地层的热解甲烷。2002年和2008年的两次短期试生产分别获得468立方米和13000立方米的天然气。目前已经确认富含或可能富含天然气水合物资源的永冻带地区有：丹麦格陵兰岛、挪威斯瓦尔巴特群岛、俄罗斯东北西伯利亚与勘察加半岛和美国阿拉斯加等地。