县相邻，北接竹山县、房县，东连保康县，南濒兴山县、巴东县，总面积3253平方公里。
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。夏季湿润多雨，冬季温和少雨。全年辐射103.7千卡/平方米，全年日照时数1858.3小时，日照时数及总辐射量随着海拔的增高而减少，年均气温无霜期因海拔不同相差很大。年降水量在800—2500毫米之间，降水量随海拔的增高而增加。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。区内平均年蒸发量为500—800毫米，干旱指数0.50—0.53。全年80%的时间盛行东南风。
神农架林区从印支运动末至燕山运动初，发生了强烈的褶皱和大面积的掀斜，奠定了区内的地貌骨架。第四纪气候的冷暖变化，在部分地段残留了冰川地貌，致使区内地貌复杂多样。神农架山脉近东西向横垣于神农架林区西南部，以神农顶最高，高程为3105.4米，也是华中地区最高点；林区最低点为下谷坪乡的石柱河，高程为398米，相对高差2707.4米。根据区内地貌形态特征和成因类型，可分为构造溶蚀地貌、溶蚀侵蚀地貌、剥蚀侵蚀地貌、堆积地貌等四种类型的地貌单元。