武陵山山脉是沅江和澧水干流的分水岭。位于湖南西北部及黔、鄂、湘三省边境。主脉自贵州中部呈北东—南西走向，联络佛顶山、梵净山，逶迤于乌江与沅江之间。东北延入湖南境后分为两支；西北侧为八面山褶皱带，早古生代、晚古生代及中生代早期的沉积发育普遍，灰岩、泥岩及石英砂岩分布甚广，中三叠世后形成—系列较平缓开阔的复式背向斜，成为北东向交叠起伏岭谷地貌的构造骨架，有白云山、太灵山、八大公山、朱家垭、大山界、东山峰等多条平行斜列的岭脊。东南侧为江南地轴，系一长期隆起的复式背斜，核部为板溪群浅变质岩，翼部由震旦系硅质岩、冰碛砾岩和寒武系灰岩组成，中生代后产生断裂而相对抬升，构成长约270公里，平均海拔千米左右的武陵山主干山脊，其中多老周、亚公山、喇叭头、净山界、人头山、天门山绵延起伏，至常德西部的太和山而低落。武陵山地为中国新华夏系第三隆起带的一部分，属于向北西突出的弧形构造，有一系列的褶皱和断裂。
由于受近代鄂西—贵州高原大面积急剧上升的影响，具有自西北向东南掀斜上升的性质，山岭丛聚、沟壑纵横，喀斯特地貌发育；宏观地形高差不显著，其间残留若干较平缓的山顶面，东南侧切割甚深、边坡陡峭，属湘鄂黔山原台地的组成部分。
山区气候属亚热带向暖温带过渡类型，夏凉冬冷，雨量适中。以龙山八面山和石门东山峰站为例，年均温分别为10.3℃与9.2℃；年降水量1700毫米左右，相对湿度82％，积雪日数分别为49天与63天。因成土母质、地势和水热条件的影响，主要发育石灰土和黄壤以及山地黄棕壤。植被为华中区系，属栎栲、光叶水青冈、猴樟、楠木林、桕木、黄杉林、油桐林植被区。代表种类有水杉（野生）、黄杉、铁坚杉、巴山榧树、大果槭、杜仲、鞘柄木、猫儿屎、珙桐、水青树、红豆杉、连香树、鹅掌楸、伞花木、滇楸、毛红桩等，其中多古老孑遗种属。经济林木有油桐、乌桕、核桃、漆树、杜仲、厚朴、雪花皮、五倍子等。山林栖息熊、猴、云豹、苏门羚、灵猫、林麝、獐、麂及红腹角雉、黄腹角雉、画眉、锦鸡等多种动物。著名武陵源风景名胜区位于大庸、慈利和桑植三市县的山区中，由张家界国家森林公园、索溪峪自然风景区和天子山自然风景区组成，总面积达396平方公里。
