位置境域
张家界市位于湖南省西北部武陵山脉腹地，地理坐标为：北纬28°52′--29°48′，东经109°40′--111°20′。东与常德市石门县、桃源县交界，南与怀化市沅陵县毗连，西与湘西自治州永顺县、龙山县接壤，北与湖北省鹤峰县、宣恩县为邻。东西最长167公里，南北最宽96公里，总面积9563平方公里，占湖南省面积的4.5%。
地质地貌
张家界地质构造复杂，地势西北高，沿澧水向东南倾斜，中部沿澧水两岸呈北东向缓低，南部山地向沅水递降。武陵山脉自贵州云雾山分支入张家界市，又分北、中、南三支。北支有八大公山,桂英山，青龙山；中支沿澧水之北有天星山，朝天山，青岩山，茅花界。南支行于澧水、沅水之间，有七星山，崇山，天门山等，三支均没于洞庭湖平原。
张家界地貌类型多样，武陵源以砂岩峰林地貌为核心、以岩溶地貌为衬托，兼有成型地质剖面、特殊化石产地等大量地质遗迹，构成独具特色的砂岩峰林地貌组合景观，为世界罕见。
岩峰林地貌代表了地球上一种独特的地貌形态和自然地理特征。它是在特定的地质构造部位、特定的新构造运动和外力作用条件下形成的一种举世罕见的独特地貌。在武陵源区域内有3000多座拔地而起的石崖，其中高度超过200米的有1000多座，金鞭岩竟高达350米，个体形态有方山、台地、峰墙、峰丛、峰林、石门、天生桥及峡谷、嶂谷等。
另一种地貌是岩溶洞穴地貌。地貌形态有漏斗、洼地、溶丘、石芽、石林、穿洞、溶洞、伏流、暗河等。溶洞以黄龙洞为典型，洞内景观引人入胜，洞穴迷宫、卷曲状钟乳石、鹅管、歪斜钟乳石，以及晶莹剔透、形态各异、精妙绝伦的滴水石，如石钟乳、石笋、石柱、石瀑、石幔、石帘、石花等，是世界上已发现的溶洞中石笋最集中、神态最逼真的地方之一。
2004年2月，张家界又以不可多得的地理特质——石英砂岩峰林峡谷地貌，被联合国教科文组织评选为世界地质公园，成为我国首批世界地质公园之一。
2010年11月，国际地貌学家协会将张家界特征鲜明、规模巨大的石英砂岩峰林地貌，命名为“张家界地貌”。自此，“张家界地貌”获得国际学术界认定。
张家界地貌是砂岩地貌的一种独特类型，它是“在中国华南板块大地构造背景和亚热带湿润区内，由产状近水平的中、上泥盆统石英砂岩为成景母岩，以流水侵蚀、重力崩塌、风化等营力形成的，以棱角平直的高大石柱林为主，以及深切嶂谷、石墙、天生桥、方山、平台等造型地貌为代表的地貌景观”。
水文
张家界境内溪河纵横，市境内大于5平方公里的河流212条，其中一级支流48条，二级支流101条，三级支流54条，四级支流8条。水力资源理论蕴藏量156.9万千瓦，可开发量达104万千瓦。
澧水是湖南省四大河流之一，位于湖南省西北部，流域跨湘鄂两省，澧水干流在桑植县南岔以上分北、中、南三源，北源为主干，发源于桑植县杉木界；中源出自桑植县八大公山东麓；南源出自永顺县龙家寨，三源于桑植县南岔汇合后东流，沿途接慈利溇水、石门渫水和澧县涔水等支流，至津市小渡囗注入洞庭湖。干流全长407公里，流域面积18496平方公里（湖南境内15736平方公里），多年平均径流量131.2亿立方米。
溇水是澧水的最大支流，发源于湖北鹤峰，向东南流经桑植、慈利注入澧水，干流全长250公里，在张家界市境内的流域面积为2565平方公里，河流穿行与石灰岩高山深谷之中。此外张家界境内还有一部分河流流向沅水，流域面积1428平方公里。
气候
张家界地处北半球中纬度，属中亚热带山原型季风性湿润气候，阳光充足，雨量充沛，无霜期长，严寒期短，四季分明，年平均气温17℃，夏季最热月平均气温28℃ ，冬季最冷月平均气温为4.3 ℃（以1月最冷，极端气温在零度左右到4℃），年降水量1400毫米，年平均无霜期在216天至269天之间。这样的气候，不仅适合动物的繁衍与植物的生长，更适合观光旅游。
生物资源
张家界森林资源丰富，全市森林覆盖率为66.98%，名列湖南省第一，武陵源景区森林覆盖率达98%。
张家界境内原始生态保护完好，成片的原始次森林，保存了不少珍稀动植物，素有天然动植物园的美称。全市有木本植物106科320属850种，脊椎动物146种。其中有国家级保护植物56种，国家级保护动物40种。珍奇树种有珙桐、南方红豆杉、长苞铁杉、香榧、银杏、鹅掌楸、伯乐树、香果树等；名贵药材有灵芝、天麻、何首乌、杜仲等；珍稀动物有大鲵、苏门羚、华南虎、云豹、林麝、猕猴、灵猫、黄腹角雉等。
自1982年以来，张家界建立了中国第一个国家森林公园，先后建立各类自然保护区8个，其中国家级有：八大公山国家级自然保护区（建于1986年），张家界大鲵国家级自然保护区（建于1996年）。省级有：张家界省级自然保护区（建于1982年）、索溪峪省级自然保护区（建于1982年），天子山省级自然保护区（建于1984年）、杨家界省级自然保护区（建于2001年）。
1992年，包括张家界、杨家界、索溪峪、天子山在内的武陵源风景区1992年被联合国教科文组织世界遗产委员会列入《世界自然遗产名录》。
2005年八大公山国家级自然保护区被列入“联合国人与生物圈保护区网”。
