遠古時期，神農架林區還是一片汪洋大海，經燕山和喜馬拉雅運動逐漸提升成為多級陸地，并形成了神農架群和馬槽園群等具有鮮明地方特色的地層。神農架位于我國地勢第二階梯的東部邊緣，由大巴山脈東延的余脈組成中高山地貌，區內山體高大，由西南向東北逐漸降低。神農架平均海拔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，最高峰神農頂海拔3105.4米，成為華中第一峰，神農架因此有“華中屋脊”之稱。西南部的石柱河海拔僅398米，為境內最低點，相對高差達2706.4米。

　　神農架地處中緯度北亞熱帶季風區，受大氣環流控制，氣溫偏涼且多雨，并隨海拔的升高形成低山、中山、亞高山3個氣候帶。年降水量也由低到高依次分布為761.4 ~2500毫米不等，故立體氣候十分明顯，“山腳盛夏山頂春，山麓艷秋山頂冰，赤橙黃綠看不夠，春夏秋冬最難分”是林區氣候的真實寫照。獨特的地理環境和立體小氣候，使神農架成為中國南北植物種類的過渡區域和眾多動物繁衍生息的交叉地帶。這里擁有當今世界北半球中緯度內陸地區唯一保存完好的亞熱帶森林生態系統。境內森林覆蓋率88%，保護區內達96%。這里保留了珙桐、鵝掌楸、連香等大量珍貴古老孑遺植物。神農架成為世界同緯度地區的一塊綠色寶地，對于森林生態學研究具有全球性意義。 　

　神農有許多神奇的地質奇觀。在紅花鄉境內有一條潮水河，河水一日三涌，早中晚各漲潮一次，每次持續半小時。漲潮時，水色因季節而不同，干旱之季，水色混濁，梅雨之季，水色碧清。 　　宋洛鄉里有一處水洞，只要洞外自然溫度在28℃以上時，洞內就開始結冰，山縫里的水沿洞壁滲出形成晶瑩的冰簾，向下延伸可達10余米，滴在洞底的水則結成冰柱，形態多樣，頂端一般呈蘑菇狀，而且為空心。進入深秋時節，冰就開始神農架照片 (19張)融化，到了冬季，洞內溫度就要高于洞外溫度。

獨特的地理環境和立體小氣候，使神農架成為中國南北植物種類的過渡區域和眾多動物繁衍生息的交叉地帶。神農架擁有各類植物3700多種(菌類730多種，地衣190多種，蕨類290多種，裸子植物30多種，被子植物2430多種，加上苔蘚類可達4000種以上)，其中有40種受到國家重點保護;有各類動物1050多種(獸類70多種，鳥類300多種，兩棲類20多種，爬行類40多種