神农架属于山区，山区占85%，森林覆盖率69.5%，境内山脉属秦岭山系大巴山脉东段的神农架山脉，西南部为亚高山区，东北部为中山、低山区。地势由西向东，由南向北逐渐降低。最高处神农顶海拔3106.2米[6]（2011年9月23日前为3105.4米），最低点石柱河海拔398米；全境平均海拔1700米，84%的地域地处海拔1200米以上。主要山脉有武当山脉，巫山山脉，荆山山脉；有大小山峰400余座，其中海拔3000米以上的有小神农架、大神农架、神农顶、金猴岭、杉木尖、大窝坑6座。主要河流有香溪河、堵河、南河及其支流。

神农架位于湖北省西北边缘，地处重庆直辖市和湖北二省市交界处。相邻县级行政区有，北与湖北本省竹山县、房县交界，东临保康县，南接兴山县、巴东县，西与重庆市巫山县、巫溪县接壤。

神农架属于北亚热带季风气候区，为亚热带气候向温带气候过渡区域。全年日照时数1858.3小时，年均气温无霜期因海拔不同相差很大。年降水量在800—2500mm之间。春夏之交常有冰霜发生，一般从9月底至次年4月底为冰霜期。全年80%的时间盛行东南风。

另外，神农架自古以来有很多起“直立高等灵长目奇异动物”目击遭遇事件，成为世界“野人”研究的焦点之一。