龙山县位于湖南省西北部，西与重庆市酉阳县、秀山县，北与湖北省来凤县、宣恩县接壤，东与省内桑植县、永顺县毗邻，南与保靖县隔酉水河相望。位于东经109°13′～109°46′8″、北纬28°46′7″～29°38′4″之间。国土总面积31.3万公顷，占湘西自治州总面积的20.2%。龙山县地处云贵高原北东侧与鄂西山地西南端结合部，武陵山脉由北东和南西斜贯全境，地势北高南低，属中国由西向东逐步降低的第二阶梯东缘。县境属强侵（溶）蚀山区，境内群山起伏，山峦重叠，溪谷交错，坡陡谷深，山体破碎，耕地分散。海拔1000～1200米的山头有192座，1200米以上的山头有353座。主要山脉有北部的红旗界，西部的辽叶可立坡，东北部的猛必界，东部的永龙界、曾家界，中部的洛塔界，西南部的八面山等，由东北向南延展，呈东、中、西、北山脉凸起，形成北高南低、东陡西缓向南开口的“勿”字形地貌骨架。
县境地貌受地质构造控制极为明显，由于经历了加里东、海西宁、燕山和喜马拉雅山等多次地壳运动，以及长期侵（溶）蚀等外力因素的影响，地貌具有岭谷相间、高差悬殊、切割深密、波状起伏，多层次、阶梯状、链状与连续性变化特征。最高山峰红旗界主峰大灵山海拔1736.5米，最低处隆头镇的隆头河滩海拔218.2米。相对高差1518.3米，比降为2.3‰，最大切割深度1136米，最大切割密度4.7公里/平方公里，形成以山地为主，兼有丘陵、岗地、平原及水面等多种地貌类型，且大部分乡、村有多种地貌类型。县境山、丘、岗、平川及水面的组合比例为82:10:4:3:1。
县境石灰岩（包括白云岩）分布很广，面积1616.94平方千米，占龙山县总面积52.1%。因长期经受侵蚀和溶蚀，形成大小不等的溶蚀剥夷面和洼地，以及许多溶洞、漏斗、落水洞、石芽、暗河等地貌；又因地质构造和北高南低的地势影响，地表溪流切割深密，水系树枝状和格状分布。龙山县境内土壤共9个土类、19个亚类、67个土属、155个土种、33个变种。
县境土壤的48.9%由板页岩、河流冲积物（括古河流和近代河流冲积物）、紫色砂页岩等富含矿物质营养元素的母质风化发育而来，加之县域处亚热带季风湿润气候区，加上小区域气候的特殊温湿效应，气候温和，雨量充沛，雨热同季，植被生长旺盛，有利于有机物质的积累，即使是石灰岩母质风化的土壤，历史上曾植被茂密。因此，县域自然土壤原生质量较高，带来耕作土壤也趋同样趋势。
据龙山县第二次土壤普查地块样化验与千亩农田样化验结果统计，县域自然土壤碱解氮含量中至丰面积达94%，缺的面积达只有6%；钾的含量丰的面积达50%，中等面积的达41%，缺的面积达只有6%；有机质含量高于2%以上的面积占山地总面积的64%，全氮含量在0.1以上的面积占79.2%。龙山县属亚热带大陆性湿润季风气候区。全年四季分明。夏半年受夏季风影响，降水较丰沛，气候温暖湿润。冬半年受冬季风控制，气温较低，降水较少，气候较寒冷。在复杂的山体影响下，形成山地垂直地带和水平方向地域差异的多样性气候。与省内同纬度地区相比，具有光热总量偏少，冬暖夏凉，光热基本同季；降水丰沛，时空分配不均；气候类型多样，立体特征明显；气象灾害多等特征。
根据湖南省各地气象台站资料比较，县域（以县城为例）多年平均气温15.8℃，仅比最低的桂东高0.4℃，比最高的道县低2.6℃；与同纬度的岳阳、常德、平江分别低1.1℃，0.9℃，1.1℃。县域年较差气温为22.1℃，比全省大部分地区要小。夏无酷热、冬无严寒（除八面山等高海拔区）。县域海拔较高，山多云雾多，日照较少，故夏无酷热。当北方冷空气南下时，北面为秦巴山脉所挡，只能过汉江平原，插洞庭湖，迂回从东路影响县域，且县内山重峰叠，冷空气不能长驱直入，故降温辐度不大，冬无严寒。龙山县温暖湿润，冬少严寒，夏少酷暑，植被丰茂，自然洞穴多，适宜多种动物繁殖生长。1958年以后，森林面积下降，动物随之减少。1999年，县森林资源保护站对境内陆生野生脊椎动物进行普查，查明县境陆生脊椎动物有124种。昆虫种类繁多，贝类较少，鱼类及其他动物类分布广、种类多。
属国家重点保护的珍稀动物县境有华南虎、云豹（以上为一级保护动物），猕猴、水獭、穿山甲、大灵猫、小灵猫、豺、果子狸、麝、锦鸡、红腹角雉、白冠长尾雉、猫头鹰、鸮类、鹰、大鲵（以上为二级保护动物）等。龙山县域地处中亚热带季风湿润气候区，适宜多种植物生长。1949年，县境森林覆盖率为34.02%（此前植被情况无统计数据）。1957年，县第一次森林调查，森林覆盖率为34.16%，灌草覆盖率为6.62%。1976年、1986年、1995年第二、三、四次森林调查，森林覆盖率分别为34.03%、55.2%、60.86%，灌草覆盖率分别为48.62%、28.48%、9.43%。2004年第五次森林调查，森林覆盖率38.89%，灌草覆盖率31.91%。
1982～1983年，县农业区划林业组首次系统地开展标本采集调查，初编《龙山县树木名录》（以下简称《名录》）。1984年，湖南省林木种源普查，湘西州林科所对龙山县树种资源进行普查，对初编《名录》进行补充修订。县内已查明的木本植物共有101科303属811种（含变种不含栽培变型），其中裸子植物门9科27属46种，被子植物92科275属764种。
龙山县域野生植物资源丰富，草本植物有2500余种。未开展系统调查，无名录。
1957年、1976年、1986年、1995年、2004年农作物覆盖率（按当年播种面积算）分别为18.91%、21.14%、18.91%、27.01%、22.48%。境内溪河均属沅水、澧水水系。溪河落差较大，加之雨量充沛，水能资源丰富。根据1985年调查统计，龙山县水能资源理论蕴藏量为264956千瓦。其中酉水干流254119千瓦，澧水干流10837千瓦。龙山县可建装机在100千瓦以上的水电站38处，计74055千瓦。其中酉水干流35处，装机67125千瓦；澧水干流3处，装机6930千瓦。1994年底，龙山县已开发水电43处，总装机42715千瓦，占可开发装机的57.6%，占龙山县水力总资源理论蕴藏量的16.1%。至2007年，龙山县年发电量达1.83亿千瓦时。小水电装机总容量6.8万千瓦。
