沅江和澧水幹流的分水嶺。位於湖南西北部及黔、鄂、湘三省邊境。主脈自貴州中部呈北東—南西走向，聯絡佛頂山(1835米)、梵淨山(2494米)，逶迤於烏江與沅江之間。東北延入湖南境後分為2支；西北側為八面山褶皺帶，早古生代、晚古生代及中生代早期的沉積發育普遍，灰巖、泥巖及石英砂巖分佈甚廣，中三疊世後形成—系列較平緩開闊的複式背向斜，成為北東向交疊起伏嶺穀地貌的構造骨架，有白雲山(1321米)、太靈山(1577米)、八大公山(1890米)、朱傢埡(1161米)、、大山界(1350米)、東山峰(1491米)等多條平行斜列的嶺脊。東南側為江南地軸，系一長期隆起的復式背斜，核部為板溪群淺變質巖，翼部由震旦系矽質巖、冰磧礫巖和寒武系灰巖組成，中生代後產生斷裂而相對抬升，構成長約270公裡，平均海拔千米左右的武陵山主幹山脊，其中多老周(1060米)、亞公山(1227米)、喇叭頭(1026米)、凈山界(1014米)、人頭山(1327米)、天門山(1518米)綿延起伏，至常德西部的太和山而低落。武陵山地為中國新華夏系第三隆起帶的一部分，屬於向北西突出的弧形構造，有一系列的褶皺和斷裂。由於受近代鄂西—貴州高原大面積急劇上升的影響，具有自西北向東南掀斜上升的性質，山嶺叢聚、溝壑縱橫，喀斯特地貌發育； 並呈現1200米、1000米、800米、600米、450米、350米等多級剝夷面；宏觀地形高差不顯著，其間殘留若幹較平緩的山頂面，東南側切割甚深、邊坡陡峭，屬湘鄂黔山原臺地的組成部分。
山區氣候屬亞熱帶向暖溫帶過渡類型，夏涼冬冷，雨量適中。以龍山八面山(1346米)和石門東山峰(1491米)兩站為例，年均溫分別為10.3℃與9.2℃，1月均溫為-0.8℃與-1.9℃，7月為21.1℃與19.6℃；年降水量1700毫米左右，相對濕度82％，積雪日數分別為49與63天。因成土母質、地勢和水熱條件的影響，主要發育石灰土和黃壤以及山地黃棕壤。植被為華中區系，屬櫟栲、光葉水青岡、猴樟、楠木林、桕木、黃杉林、油桐林植被區。代表種類有水杉(野生)、黃杉、鐵堅杉、巴山榧樹、大果槭、杜仲、鞘柄木、貓兒屎、珙桐、水青樹、紅豆杉、連香樹、鵝掌楸、傘花木、滇楸、毛紅樁等，其中多古老孑遺種屬。經濟林木有油桐、烏桕、核桃、漆樹、杜仲、厚樸、雪花皮、五倍子等。山林棲息熊、猴、雲豹、蘇門羚、靈貓、林麝、獐、麂及紅腹角雉、黃腹角雉、畫眉、錦雞等多種動物。著名武陵源風景名勝區位於大庸、慈利和桑植3市縣的山區中，由張傢界國傢森林公園、索溪峪自然風景區和天子山自然風景區組成，總面積達396平方公裡。