远古时期，神农架林区还是一片汪洋大海，经燕山和喜马拉雅运动逐渐提升成为多级陆地，并形成了神农架群和马槽园群等具有鲜明地方特色的地层。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。神农架平均海拔1700米。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，神农架因此有“华中屋脊”之称。西南部的石柱河海拔仅398米，为境内最低点，相对高差达2708.2米。

神农架是长江和汉水的分水岭，境内有香溪河、沿渡河、南河和堵河 4个水系。由于该地区位于中纬度北亚热带季风区，气温偏凉而且多雨，海拔每上升100米，季节相差3--4天。“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”是神农架气候的真实写照。由于一年四季受到湿热的东南季风和干冷的大陆高压的交替影响，以及高山森林对热量、降水的调节，形成夏无酷热、冬无严寒的宜人气候。当南方城市夏季普遍是高温时，神农架却是一片清凉世界。

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、鹅掌楸、连香等大量珍贵古老孑遗植物。神农架成为世界同纬度地区的一块绿色宝地，对于森林生态学研究具有全球性意义。

神农架有许多神奇的地质奇观。在红花乡境内有一条潮水河，河水一日三涌，早中晚各涨潮一次，每次持续半小时。涨潮时，水色因季节而不同，干旱之季，水色混浊，梅雨之季，水色碧清。