武陵源是一个以中外罕见的石英砂岩峰林地貌景观为主，以“湘西型”岩溶地貌景观为辅，兼有大量的地质历史遗迹的风景名胜区。地域偏僻、人迹罕至的自然地理条件，使这块土地保存了近乎原始状态的亚热带优美风景环境、生物环境及生态系统。在自然保护内容方面，武陵源包揽地质及其生态环境的全部内容，具有极高的生态价值、科学价值和美学价值。

区境属泥盆沉积地层，以红砂岩、石英岩为主，还有部分石灰岩地区，地势天子山最高，索溪峪最低，水流从天子山、森林公园流向索溪峪，构成地貌发育的差异。

    天子山为台地地貌，基本分为两层。上层在800米以上，是二叠纪泥质石灰岩；800米以下则是泥盆纪原层砂岩的石英砂岩，均成水平状分布。从地质剖面上看，表面的泥质石灰岩透水层溶蚀成许多溶洞和地下河。800米以下有很厚的石英砂岩不透水层，使地表水发育成由溶洞流出而形成瀑布。由于砂岩垂直节理发育，加之外营力的长期作用，从而出现两侧壁立的峡谷和板状石峰。再由板状石峰变成柱状石峰，先形成洞、桥，后断裂成柱峰。天子山尚处于地貌发育早期阶段。森林公园属地貌发育壮年期，在水流切割、侵蚀风化、崩落作用下，原来的台地变成众多的石峰。但部分地方仍保留原来台地风貌，它们同天子山基本同处一水平面。沿溪流的峡谷，与峰林形成几百米陡峭的高差，而独具景观特色。索溪峪属地貌发育后期，经过大自然亿万年风化、侵蚀、搬运作用，许多地方已夷为平地，保留下的山峰峰脚较大，因而视域开阔，且景区分散，加之居溪谷下游，形成较宽阔的冲积沙洲和土岗，其景区沿水流切割方向呈条状分布。

    武陵源处于中亚热带北部气候区，是中亚热带向北亚热带过渡地区，属山原型湿润气候。这里山高谷深，气候成垂直变化，气温垂直递减。同时，因山谷幽深和盆地开阔受到阳光辐射差别大，局部地形对其气候起主导作用，形成特殊的山原季风气候。云雾多、湿度大、降水量大。年平均气温16.3～16.8℃，1月平均气温 4.8～5.1℃，极端最低气温-15.5℃；7月平均气温22.5～23.7℃,极端高温41.6℃，大于等于10℃的积温为5208.4℃～5353.6℃，无霜期267～275天，年降水量1382.1～1427.3毫米，主要集中在4～8月，5～7月多暴雨，占全年降水量的30%以上，年蒸发量1140.6～1285.5毫米，相对湿度平均为77%～79%，5～6月为79%～81%。其温暖湿润的气候条件为土壤的形成和动植物的繁衍提供良好的条件。

    境内水系纵横，雨量丰富。全区整个水系发源于森林公园、天子山一带高地，大小溪流25条，全长68.5公里，河流坡降5.9%。最著名的溪流有索溪、金鞭溪、矿洞溪、插溪、董家峪溪、黑槽峪溪、白虎堂溪、王家峪溪。现已命名的潭泉有31处。最大河流索溪发源于张家界海拔800余米的磨子峪，流经金鞭溪止马塌、喻家嘴、三官寺至江垭入澧水支流娄水。全长68.3公里，在境内约20公里。多年平均径流量约900万立方米，平均流量2.89立方米/秒，枯水期流量0.3立方米/秒。河道宽3～20米，比降6.65%，多激流、浅滩和深潭。

    武陵源土壤的垂直分布地带明显，索溪峪东部、天子山南部海拔500～1000米的土壤多为黄红壤，母质石灰岩，碱性反应。西部（含森林公园）海拔500～1000米以上土壤为砂岩黄土壤，黄棕壤，母质石英砂岩，为砂岩的化合物，土壤疏松，酸性反应，缓坡为风化淤积土壤，土壤表层腐殖质积聚，有机质含量高，因此，天然林发育良好。

    武陵源区主要植物类型属中亚热带北部常绿阔叶林。境内主要地段林木茂盛，覆盖率高，其中张家界森林公园覆盖率97.7%，有原始次森林植被群落，因而森林资源非常丰富。境内高等植物有3000余种，首批列入《中国珍稀濒危保护植物名录》的重点保护种子植物有35种，还保存有原始次森林两处，乔木树种有107科250属700余种，可供观赏的园林花卉植物多达450余种，药用植物700余种，其中属于国家一级保护的有5种，二级保护的有16种，三级保护的有16种。

    武陵源是生物宝库。由于境内植物垂直分带明显，群落完整，生态稳定平衡，有野生动物良好的栖息环境，生长着大量的野生动物。其中陆生脊椎动物有58科149种，属于国家一级保护动物的有3种，二级保护动物25种，三级保护动物17种。