张家界地处北中纬度，属中亚热带山原型季风湿润气候。雨量丰沛，阳光充足，无霜期长，严寒期短，年平均气温16℃左右。夏季最热月气温27℃，冬季最冷月平均气温为4.3 ℃。
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结合部。在张家界市区境内，由于受地理、地层、构造、气候等诸多条件的影响，便形成了多姿多彩的地貌奇观。
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，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。
张家界还有一个很有特点的流水侵蚀地貌。由于地壳上升，溪流向下切割作用加大，来不及将河流拓宽，而使河谷形成隘谷、峡谷。河的谷底极窜成线形，两壁陡峻，滩多水急。张家界市澧水源头、娄水上游、茅岩河段，就是这种河谷地貌。
