郴州境内总的地形地貌为东南面山系重叠，群山环抱；西部山势低矮，向北开口，中部为丘、平、岗交错。地势自东南向西北倾斜，东部是南北延伸的罗霄山脉，最高峰海拔2061.3米；南部是东西走向的南岭山脉，最高峰海拔1913.8米；西部是郴道盆地横跨，北部有醴攸盆地和茶永盆地深入，形成低平的地势，一般海拔200—400米，最低处海拔70米。
全市土地地层构造：平、岗、丘主要以第四纪松散堆积物、红岩、灰岩及砂页岩为主；山地以花岗岩、变质岩、灰岩以及砂页岩等四种主要岩石构成。土壤分为10个土类，23个亚类，102个土属，343个土种。其中以红壤、黄壤以及黄棕壤占土壤平面分布中的70%以上。
土地以地形分：岗地2066平方公里、丘陵3971平方公里、平原2355平方公里、山地10542平方公里、水面454平方公里；按使用情况分：耕地2314平方公里、园地91平方公里、林地12990平方公里、草地1847平方公里、城乡居民用地373平方公里、工矿占地52平方公里、交通用地111平方公里、水域沼泽地633平方公里、难用地374平方公里、其他用地848平方公里。
全市植被：高程650米以下为常绿阔叶林，650—1000米为常绿落叶混交林，1000—1500米为落叶阔叶林，1500米以上为灌木草丛。森林面积为106.5万公倾，占全市总面积的62.3%。
郴州地处北回归线偏北1—2度，属亚热带季风湿润气候区，并有向南亚热带、热带过渡的特征。气候的显著特点是四季分明，春季气温低，阴雨连绵；夏季高温湿热，暴雨集中，洪旱交错；秋季干旱少雨，台风入侵频繁，时有山洪暴发；冬季低温干燥，但寒期短，雨量较少。全年日照时数在1494—1704小时之间，年平均气温在17.5—19.5度之间，10度以上气温的持续天数在220—240之间，无霜期一般都在295天以上，冰冻期为3—5天。常年风向东北风，夏季主导风向偏南风。多年平均降雨量为1504毫米，其中4—9月降雨量972.3毫米,占全年降雨量的64.7%。