县境地貌以山地和丘陵为主。山地占总面积的28.5%，丘陵占55.9%，岗地占5.8%，平原占9.8%。地势东南部和东北部高，西南部低，相对高度达1500米。境内山丘分属连云山脉和幕阜山脉。连云山主峰海拔1600.3米，为境内最高峰。幕阜山主峰海拔1593.6米。此外，东南部的十八折、黄花尖、下小尖；南面的轿顶山、福寿山、白水坪、甑盖山、十八盘、寒婆坳；东北部的一峰尖、九龙池、云腾寺、黄龙山、只角楼、秋水塘、丘池塘；北部的流水庵、凤凰山、凤凰翅、燕子岩、冬桃山等21座山，海拔均在1000米以上。
县境气候属大陆性季风气候区，东亚热带向北亚带过渡气候带。主要气候特征为：春温多雨、寒流频繁，降水集中；夏秋多旱；严寒期短，无霜期长；风小、雾多、温差大。年平均气温16.8℃,常年积温6185.3℃。1月平均气温4.9℃，极端最低气温为-12℃（1972年2月9日），7月平均气温28.6℃，极端最高气温40.3℃（1971年7月26日）。年平均气温5℃以上的持续时期为295天。年平均降水量1450.8毫米，雨雪160天。常年雨季从四月初开始，持续80天。雨季降水最占全年降水量的50%。年日照1731小时，太阳辐射平均为每平方厘米108.5千卡。
境内河网密布，分属汨罗江和新墙河两大水系。汨罗江流域面积占96.1%；新墙河流面积占3.9%。汨水自东向西贯穿全境，境内全长192.9公里，有大小支流141条，总长2656.9公里，河网密度0.64公里/平方公里。径流总量32.56亿立方米。水能理论蕴藏量19.7万千瓦，其中可开发利用的能量9.5万千瓦。141条河流中，一级支流有木瓜河、钟洞河、清水、昌江等50条；二级支流67条；三级支流21条；四级支流3条。
境内资源丰富，矿物有黄金、铅锌、磷、石膏、石英、石灰石、长石、云母等60多种，散布于全县各地的矿床、矿点共有200多处，其中大中型矿床10外。石膏、石英、磷等矿物储量均在1000万吨以上，黄金储量50吨以上，各种矿床主要分布在东西向的长平断裂带上。珍稀野生动物主要有虎、獭、穿山甲及白鹳、草鸳鸯、红嘴相思鸟等。野生植物中仅药用植物就有175科，615属，1301种；珍稀植物主要有银杏、水杉、金钱松及杜仲、厚朴、黄莲、青檀等。
【山脉】
一、连云山脉
连云山脉属罗宵山脉，主峰位于县境献钟乡连云村与浏阳县的交界线上，海拔1600.3米，为境内第一高峰。全脉有1000米以上的山峰有10座。因三面群山起伏，一面平川蜿延，山间林深竹茂，主峰常见云雾缭绕，故名连云山。山脉走向：主峰往东沿平浏边界十八折、吊水尖至分水坳；往北沿平、铜（鼓）和平、修（水）边界的里半天、打锣尖、饭匙尖、大坳里到东阳山；往西沿平、浏（阳）边界经火子坳、福寿山、十八盘到寒婆坳。金龙、长寿、嘉义、安定区属该山脉部分范围，面积为639平方公里，占全县总面积的15.5%。
连云山主峰呈24-25度迎风北坡，单面倾斜，相对高度1400米，地势比降为230%。由于山体坡度大，水流急，岩石抗风化能力强，自然植被好，溪流两岸流水沉积地貌不发育，可耕地面积少，种植业不发达。自然次生植物保存完整，是县境主要林业产区。
二、幕阜山脉
幕阜山古为恒山，又名天柱山、天岳山、昌山。三国吴太史慈任建昌都尉时，曾扎营幕于山顶以拒刘表，故名幕阜。全脉有1000米以上的山峰12座。山脉起源于江西大庾岭，主峰一峰尖位于长庆、石浆两乡之间，海拔1595.6米，是县境第二高峰。往北偏东经天岳堂、流水庵、九龙池、只角楼，至湘、鄂、赣三省交界点黄龙山。另一支脉沿湘赣边境南下，经丘池塘，秋水塘，狮子岩，至浆市街；沿湘、鄂边境往西北经大坳、凤凰翅、燕子岩、狂风坳、冬桃山越界，向西南经张师山进入岳阳县境。境内从一峰尖往南，经大埂上，山西岭，凤凰山，水平尖，雷公尖、黄沙尖，与长平断陷盆地相接；往西南沿二峰尖，云腾寺，大古岭，五角山，黄柏岭，化米尖，过梧桐山至县城边沿。南江区、虹桥区、钟洞区的全部乡村以及梅仙、三阳、安定、嘉义、长寿、金龙等区的部分乡村和幕阜林场属于该山脉范围，面积达1232.5平方公里，占全县部面积的29.9%。
幕阜山北插湖北，东入江西，西濒洞庭，南临长沙—平江和渣津—龙门断陷盆地，横跨三省，是湖南省北部屏障。长石、云母、绿柱石，铍、铅、锌、铌钽、铀等稀有金属和非金属矿藏较为丰富；山顶的黄山松在全省颇有名。但岩石抗风化能力弱，自然植物被破坏，水土流失较严重。
【河流】
汨水 发源于黄龙山梨树埚（江西修水县境）。经修水白石桥至龙门进入县境，自东向西贯穿全县，由新市街入汨罗市。境内全长192.9公里，流经金龙、长寿、嘉义、安定、三阳、城关、瓮江、谈岑、栗山等9个区（镇）、22个乡、122个村。流域面积4053.3平方公里，落差107.5米，平均坡降4‰。境风大小支流141条。一级支流50条，二级支流67条，三级支流21条，四级支流3条。按流域分，集雨面积达300平方公里以上的5条，200—300平方公里的1条，100—200平方公里的6条，50—100平方公里的13条；20—50平方公里的29条；5—20平方公里的87条。主要支流有：
木瓜河 源于幕阜山脉南坡天岳关。集天岳、虹桥、木瓜乡的全部径流及长庆、咏生乡的部分径流，在木瓜乡上中村菩提岩与大坪水汇合。全长48公里，流域面积308平方公里，落差352.2米，平均坡降4.2‰。
大坪河 源于大坪乡三星村只角楼下。全长31公里，流域面积105平方公里，落差380.9米，平均坡降10.10‰。
曲溪水 源于南桥乡永联村仁家岭。全长33公里，流域面积100平方公里，落差368.8米，平均坡降5.1‰。
黄金河 源于黄金洞乡启明村吊水尖下芭蕉坳。全长55公里，流域面积270平方公里，天然落差402.6米，平均坡降4.1‰。
钟洞河 源于幕阜山脉南坡长庆乡高源村桃树土段。全长62公里，流域面积321平方公里，天然落差655.3米，平均坡降3.5‰。
丽 江 源于嘉义区芦头林场平、浏交界的杉皮坳。流域面积113平方公里，天然落差308米，平均坡降7.5‰。
止马河 源于连云山脉南端福寿林场甑盖山。河道全长33公里，流域面积355平方公里，天然落差658米，平均坡降9.4‰。
清 水 源水清水乡对坪村龙头尖下。河道长22公里，流域面积108平方公里，天然落差137米，平均坡降6.2‰。
仙江源于幕阜山西南脉五角山下显高村湘滨洞上蛇形。河长41公里，流域面积145平方公里，天然落差329.7米,平均坡降1.37‰。
昌 江 源于冬塔乡黄桥村傅家洞墨家山。全长84公里，流域面积670平方公里，天然落差178.6米,平均坡降为0.52‰。
曲江又称余坪水，源于岑川乡巫峰尖东坡。河长20.6公里，流域面积125.41平方公里，平均坡降6‰。
车碓河 源于长沙县境。河长41公里，流域面积344平方公里。
（部分数据来源于《平江年鉴》2019年版）