张家界国家森林公园地处武陵山脉东段，境内多山，地势由西北向东南倾斜，桑植县境西北的斗蓬山海拔1890米为市境最高处。
属北亚热带季风性湿润气候，年均气温17℃，1月平均气温5.1℃，7月平均气温28℃，年降水量1400毫米。
公园属于中亚热带气候区，高山峡谷，茂密的森林，使公园冬暖夏凉，年平均气温12.8℃，夏天平均最高气温16.8℃，冬天平均最低气温9.6℃，公园空气清新，含负氧离子高，身临其中，人体感觉特别舒适，是休闲避暑的理想之地。
张家界的砂岩峰林地貌是一种独特的地貌形态和自然地理特征，发育于泥盆系云台观组和黄家磴组，峰林集中分布区面积86平方千米。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。在园内有3000多座拔地而起的石涯，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。公园以砂岩峰林地貌景观为核心、以岩溶地貌景观为衬托，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。
武陵源旅游区自然风光以峰称奇、以谷显幽、以林见秀。其间有奇峰3000多座，如人如兽、如器如物，形象逼真，气势壮观，有“奇峰三千，秀水八百”之美称。主要景点有黄石寨、金鞭溪、袁家界、杨家界等。
