张家界市位于湖南省西北部，地处去贵高原隆起与洞庭湖沉降区结合部，介于东经109度40分至111度20分、北纬28度52分至29度48分之间，东接石门、桃源县，南邻沅陵县，北抵湖北省的鹤峰、宣恩县。市界东西最长167公里，南北最宽96公里。全市总面积9653平方公里，占全省面积的4.5%。
张家界市地貌构造复杂，主要有山地、岩溶、丘陵、岗地和平原等，山地面积占总面积的76%，其中最具特色的是石英砂岩峰林地貌，为世界罕见。城市地势西北高，沿澧水向东南倾斜。武陵山脉自贵州云雾山分支，入张家界市后又分成三支山系贯穿城市全境。张家界市境内山峦重叠，地表起伏很大，最高点海拔1890.4米，最低点海拔75米。
市境地貌以山地为主，地势西北高，沿澧水倾斜，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，又分三支。北支由湖北来凤龙山入市辖桑植县历山,桂英山，青龙山；中支沿澧水之北有天星山，红溪山，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，延入慈利县的大龙山，天合山。三支均到东到洞庭湖冲积平原而消失。
张家界以其得天独厚的旅游资源闻名于世。以中国第一个国家级森林公园张家界和天子山、索溪峪两个自然保护区组成的武陵源风景区面积达369平方公里，区内以世界罕见的石英砂岩峰林峡谷地貌为主体，集桂林之秀、黄山之奇、华山之险、泰山之雄于一体，藏赂、桥、洞、湖、瀑于一身，有“扩大的盆景、缩小的仙山”之美称。
张家界更是生物资源的宝库，区内有木本植物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。珍奇树种有银杏、珙桐、红豆杉、樱花等；名贵药材有灵芝、天麻、何首乌、杜仲等；珍稀动物有娃娃鱼、独角兽、苏门羚、华南虎、云豹、猕猴、灵猫等。
张家界市森林资源丰富，全市有林业用地面积1012亩，占71%。森林覆盖率达64.61%，名列全省第一。城市实施了“美化、亮化、净化”工程，人均拥有绿地1.55平方米，是理想的生态旅游区、国际度假区。
张家界地处北中纬度，属中亚热带山原型季风性湿润气候，光热充足，雨量充沛，无霜期长，严寒期短，四季分明，历年平均日照、气温和降水量分别为1440小时、16度和1400毫米左右，历年平均无霜期在216天至269天之间。这样的气候有利于农、林、牧、副、渔业的全面发展。但受地形、地貌等因素的影响，境内气候复杂多变，干旱洪涝、大风冰雹等自然灾害也比较频繁。
春季（3/5月）气温：5.8℃，11.4℃，16.1℃春天妖冶而如笑-灌花、踏青
夏季（5/8月）气温：19.7℃，23.3℃，22.2℃夏天苍翠而如滴-避暑、漂流
秋季（9/12月）气温：17.9℃，13.9℃，8.7℃秋天明净而如洗-赏果、登高
冬季（12/2月）气温：3.4℃，0.7℃，1.3℃ 冬天素洁而如睡-赏雪、寻梅
张家界市区海拔183米，景区平均海拔1000米，由于此差异，昼夜温差可达10℃
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