長沙市位於湖南省東部偏北，湘江下遊和長瀏盆地西緣。介於東經111°53′～114°15′，北緯27°51′～28°41′之間。東鄰江西省宜春、萍鄉兩市，南接株洲、湘潭兩市，西連婁底、益陽兩市，北抵嶽陽、益陽兩市。東西長約230公裏，南北寬約88公裏。幅員麵積1.1819萬平方公裏，其中城區麵積2185平方公裏。
折疊地質特征全市境內地質特征是：地層出露齊全，花崗岩體廣布，地質構造複雜，各個地質曆史時期的地層在長沙市均有出露，最古老的地層大約是10億年以前形成的。約6億年前，長沙是茫茫大海，但海水不深。以後，海水逐步由東而西退出，瀏陽、長沙與望城大部分地區升出海麵，成為江南古陸的西北緣。距今約1.4億年，長沙地區海浸結束，上升成為陸地，由於地殼運動與地質構造的影響，形成長條形的山間坳陷盆地——長（沙）平（江）盆地。新生代開始，整個長平盆地上升為陸地。距今約350萬年前，地球上發生第三次冰期，瀏陽保留冰川地貌遺跡。
全市地貌總的特征是：地勢起伏較大，地貌類型多樣，地表水係發育。長沙市東北是幕阜～羅霄山係的北段，西北是雪峰山餘脈的東緣，中部是長衡丘陵盆地向洞庭湖平原過渡地帶。東北、西北兩端山地環繞，地勢相對高峻，中部遞降趨於平緩，略似馬鞍形，湘江由南而北斜貫中部，南部丘崗起伏，北部平坦開闊，地勢由南向北傾斜，形如一個向北開口的漏鬥。城內為多級階地組成的坡度較緩的平崗地帶，湘江中的橘子洲長5公裏，在全國城市中絕無僅有。嶽麓山
長沙市東有連雲山、大圍山、九嶺山等呈東北～西南走向作雁行狀排列，峽穀平行相間，海拔800米以上山峰有50多座，最高峰七星嶺海拔1607.9米。長沙西有海拔800米以上的山峰13座，望城縣喬口湛湖的海拔23.5米，為全市最低點；最高點與最低點相差1584.4米。在平崗區有孤峰高聳，與周圍平地顯現較大的高低差異。
長沙市的河流大都屬湘江水係，除了湘江外，還有彙入湘江的支流有15條，主要有瀏陽河、撈刀河、靳江和溈水河。 支流河長5公裏以上的有302條，其中湘江流域289條。按支流分級：一級支流24條，二級支流128條，三級支流118條，四級支流32條；另有13條屬資江水係；形成相當完整的水係，河網密布全市。長沙水文特征：水係完整，河網密布；水量較多，水能資源豐富；冬不結冰，含沙量少。湘江大橋
氣候長沙屬亞熱帶季風氣候，氣候特征是：氣候溫和，降水充沛，雨熱同期，四季分明。長沙市區年平均氣溫17.2℃，各縣16.8℃—17.3℃，年積溫為5457℃，市區年均降水量1361.6毫米，各縣年均降水量1358.6～1552.5毫米。長沙夏冬季長，春秋季短，夏季約118—127天，冬季117—122天，春季61—64天，秋季59—69天。春溫變化大，夏初雨水多，伏秋高溫久，冬季嚴寒少。3月下旬至5月中旬，冷暖空氣相互交綏，形成連綿陰雨低溫寡照天氣。從5月下旬起，氣溫顯著提高，夏季日平均氣溫在30℃以上有85天，氣溫高於35℃的炎熱日，年平均約30天，盛夏酷熱少雨。9月下旬後，白天較暖，入夜轉涼，降水量減少，低雲量日多。從11月下旬至第二年3月中旬，節節冬令，長沙氣候平均氣溫低於0℃的嚴寒期很短暫，全年以1月最冷，月平均為4.4℃—5.1℃，越冬作物可以安全越冬，緩慢生長。