位置境域
張家界市位于湖南省西北部武陵山脈腹地，地理坐標為：北緯28°52′--29°48′，東經109°40′--111°20′。東與常德市石門縣、桃源縣交界，南與懷化市沅陵縣毗連，西與湘西自治州永順縣、龍山縣接壤，北與湖北省鶴峰縣、宣恩縣為鄰。東西最長167公里，南北最寬96公里，總面積9563平方公里，占湖南省面積的4.5%。
地質地貌
張家界地質構造復雜，地勢西北高，沿澧水向東南傾斜，中部沿澧水兩岸呈北東向緩低，南部山地向沅水遞降。武陵山脈自貴州云霧山分支入張家界市，又分北、中、南三支。北支有八大公山,桂英山，青龍山；中支沿澧水之北有天星山，朝天山，青巖山，茅花界。南支行于澧水、沅水之間，有七星山，崇山，天門山等，三支均沒于洞庭湖平原。
張家界地貌類型多樣，武陵源以砂巖峰林地貌為核心、以巖溶地貌為襯托，兼有成型地質剖面、特殊化石產地等大量地質遺跡，構成獨具特色的砂巖峰林地貌組合景觀，為世界罕見。
巖峰林地貌代表了地球上一種獨特的地貌形態和自然地理特征。它是在特定的地質構造部位、特定的新構造運動和外力作用條件下形成的一種舉世罕見的獨特地貌。在武陵源區域內有3000多座拔地而起的石崖，其中高度超過200米的有1000多座，金鞭巖竟高達350米，個體形態有方山、臺地、峰墻、峰叢、峰林、石門、天生橋及峽谷、嶂谷等。
另一種地貌是巖溶洞穴地貌。地貌形態有漏斗、洼地、溶丘、石芽、石林、穿洞、溶洞、伏流、暗河等。溶洞以黃龍洞為典型，洞內景觀引人入勝，洞穴迷宮、卷曲狀鐘乳石、鵝管、歪斜鐘乳石，以及晶瑩剔透、形態各異、精妙絕倫的滴水石，如石鐘乳、石筍、石柱、石瀑、石幔、石簾、石花等，是世界上已發現的溶洞中石筍最集中、神態最逼真的地方之一。
2004年2月，張家界又以不可多得的地理特質——石英砂巖峰林峽谷地貌，被聯合國教科文組織評選為世界地質公園，成為我國首批世界地質公園之一。
2010年11月，國際地貌學家協會將張家界特征鮮明、規模巨大的石英砂巖峰林地貌，命名為“張家界地貌”。自此，“張家界地貌”獲得國際學術界認定。
張家界地貌是砂巖地貌的一種獨特類型，它是“在中國華南板塊大地構造背景和亞熱帶濕潤區內，由產狀近水平的中、上泥盆統石英砂巖為成景母巖，以流水侵蝕、重力崩塌、風化等營力形成的，以棱角平直的高大石柱林為主，以及深切嶂谷、石墻、天生橋、方山、平臺等造型地貌為代表的地貌景觀”。
水文
張家界境內溪河縱橫，市境內大于5平方公里的河流212條，其中一級支流48條，二級支流101條，三級支流54條，四級支流8條。水力資源理論蘊藏量156.9萬千瓦，可開發量達104萬千瓦。
澧水是湖南省四大河流之一，位于湖南省西北部，流域跨湘鄂兩省，澧水干流在桑植縣南岔以上分北、中、南三源，北源為主干，發源于桑植縣杉木界；中源出自桑植縣八大公山東麓；南源出自永順縣龍家寨，三源于桑植縣南岔匯合后東流，沿途接慈利溇水、石門渫水和澧縣涔水等支流，至津市小渡囗注入洞庭湖。干流全長407公里，流域面積18496平方公里（湖南境內15736平方公里），多年平均徑流量131.2億立方米。
溇水是澧水的最大支流，發源于湖北鶴峰，向東南流經桑植、慈利注入澧水，干流全長250公里，在張家界市境內的流域面積為2565平方公里，河流穿行與石灰巖高山深谷之中。此外張家界境內還有一部分河流流向沅水，流域面積1428平方公里。
氣候
張家界地處北半球中緯度，屬中亞熱帶山原型季風性濕潤氣候，陽光充足，雨量充沛，無霜期長，嚴寒期短，四季分明，年平均氣溫17℃，夏季最熱月平均氣溫28℃ ，冬季最冷月平均氣溫為4.3 ℃（以1月最冷，極端氣溫在零度左右到4℃），年降水量1400毫米，年平均無霜期在216天至269天之間。這樣的氣候，不僅適合動物的繁衍與植物的生長，更適合觀光旅游。
生物資源
張家界森林資源豐富，全市森林覆蓋率為66.98%，名列湖南省第一，武陵源景區森林覆蓋率達98%。
張家界境內原始生態保護完好，成片的原始次森林，保存了不少珍稀動植物，素有天然動植物園的美稱。全市有木本植物106科320屬850種，脊椎動物146種。其中有國家級保護植物56種，國家級保護動物40種。珍奇樹種有珙桐、南方紅豆杉、長苞鐵杉、香榧、銀杏、鵝掌楸、伯樂樹、香果樹等；名貴藥材有靈芝、天麻、何首烏、杜仲等；珍稀動物有大鯢、蘇門羚、華南虎、云豹、林麝、獼猴、靈貓、黃腹角雉等。
自1982年以來，張家界建立了中國第一個國家森林公園，先后建立各類自然保護區8個，其中國家級有：八大公山國家級自然保護區（建于1986年），張家界大鯢國家級自然保護區（建于1996年）。省級有：張家界省級自然保護區（建于1982年）、索溪峪省級自然保護區（建于1982年），天子山省級自然保護區（建于1984年）、楊家界省級自然保護區（建于2001年）。
1992年，包括張家界、楊家界、索溪峪、天子山在內的武陵源風景區1992年被聯合國教科文組織世界遺產委員會列入《世界自然遺產名錄》。
2005年八大公山國家級自然保護區被列入“聯合國人與生物圈保護區網”。
