神农架位于我国地势第二阶梯的东部边缘,由大巴山脉东延的余脉组成中高山地貌,区内山体高大,由西南向东北逐渐降低。山峰多在1500米以上,其中海拔3000米以上的山峰有6座,海拔2500米以上山峰20多座,最高峰神农顶海拔3105.4米,成为华中第一峰,西南部的石柱河海拔仅398米,为境内最低点,相对高差达2706.4米。
神农架地处中纬度北亚热带季风区,受大气环流控制,气温偏凉且多雨,并随海拔的升高形成低山、中山、亚高山3个气候带。年降水量也由低到高依次分布为761.4 ~2500毫米不等,故立体气候十分明显,“山脚盛夏山顶春,山麓艳秋山顶冰,赤橙黄绿看不够,春夏秋冬最难分”是林区气候的真实写照。独特的地理环境和立体小气候,使神农架成为中国南北植物种类的过渡区域和众多动物繁衍生息的交叉地带。这里拥有当今世界北半球中纬度内陆地区唯一保存完好的亚热带森林生态系统。境内森林覆盖率88%,保护区内达96%。这里保留了珙桐、鹅掌秋楸、连香等大量珍贵古老孑遗植物。