张家界市位于湖南省西北部，地处云贵高原隆起与洞庭湖沉降区接合部，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167千米，南北最宽96千米。全市总面积为9653平方千米，占全省面积的4.5%。
张家界由于受地理、地层、构造、气候等诸多条件的影响，形成了多姿多彩的地貌奇观。从地势上来看，张家界市西接云贵高原，东临洞庭湖，北与鄂西山区接壤，南又与雪峰山毗连。其总的地势是：东南与中部低，四周高，沿澧水河流两岸，又有一块一块的冲积土平原。
武陵源景区内的巨厚的石英砂岩，产状平缓，使岩层不能沿层面薄弱部位滑塌，覆盖在志留系柔性的页岩之上。重力作用，使得刚性的石英砂岩垂直节理发育，在水流强烈的侵蚀作用下，岩层不但解体、崩塌，流水搬运，残留在原地的便形成雄、奇、险、秀、幽、旷等千奇百怪的峰林，它是武陵源风景区的主体。慈利县五雷山风景胜地，同样也是由同一层位的石英砂岩组成，岩层产状也平缓。五雷山顶部有黄绿色的页石、泥灰岩覆盖，它是隔水岩系，可以保护下伏砂岩免受流水的侵蚀。
张家界
岩溶地貌是张家界地貌的另一个突出特点。地表喀斯特地形的溶沟、溶槽、石芽、干谷、石丘、石陵在市区随处可见，唯石林在市区少见，在天门山风景区能见到一些单个石柱，但很少成林。湘西北地区只有在自治州花垣县小排吾一地有一片石林，俗称“石栏栅”，颇引人注意，也吸引了不少游人学者前来观光考察。
地下喀斯特溶洞、喀斯特堆积物形态在张家界更是堪称一绝。桑植县的九天洞已被列入世界洞穴学会会员洞，不愧为“亚洲第一洞”。九天洞和位于武陵源区的黄龙洞，是张家界地下喀斯特地形的代表。它们集溶洞、溶洞河、暗河、落水洞、漏斗为一体。其洞内喀斯特堆积物、石钟乳、石笋、石柱更是千姿百态、变化万千，可以说，想什么，像什么，极大地拓展了游人想象的空间，往往使人很难找到恰当的词汇和语言来赞美它。
天门山张家界市地处武陵山脉腹地，武陵山脉自贵州云雾山分支入张家界又分为三支。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。
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。张家界，奇峰三千，秀水八百，张家界的山大多是拔地而起，山上峰峻石奇，或玲珑秀丽，或峥嵘可怖，或平展如台，或劲瘦似剑。张家界，既有千姿百态的岩溶地貌奇观，又有举世罕见的砂岩峰林异景。
坐落在张家界以南10千米处的天门山古称“云梦山”，又名“玉屏山”。公元263年，因山壁崩塌而使山体上部洞开一门，南北相通。三国时吴王孙休以为吉祥，赐名“天门山”。天门洞，位于海拔1260多米的绝壁之上，门洞高131.5米，宽57米，深60余米。据地质专家考证，门洞中央系东西岩层向斜的交汇处，因挤压而导致岩石破碎崩塌，最终于263年形成门洞。天门山海拔1517.9米，因与山下市区相对高差达1300多米，故尤显伟岸挺拔，其天际线之美，堪为山中典型。
武陵源北部是因明初土家族领袖向大坤自号“向王天子”而得名的天子山。它东自深圳阁起，西至将军岩止，绵延近40千米。南边张家界，东南与索溪峪相接，属武陵源三大景区之一。
天子山天子山面积为67平方千米，最高点昆峰海拔1262米，最低点泗南峪海拔534米，天子山地处武陵源腹地，它地势高，四面都可观景，具有视线长、画面宽阔、景层丰富等特点，有人评价：“谁人识源”，它峰多、峰高、峰奇，真是峰外有峰，峰中有峰。天子山素有云涛、月辉、日霞、冬雪四大奇观。