长沙位于中国的中南部，长江以南的湖南省东部偏北区域。它坐落在洞庭湖平原的南部边缘，向湘中丘陵盆地过渡，周边与岳阳、益阳、娄底、株洲、湘潭和萍乡等地相连。总面积达到11819平方公里，市区面积为556.33平方公里，而建成区面积则超过了200平方千米。大围山七星岭海拔1607.9米，是区域内最高峰，而岳麓山的云麓峰则以300.8米的高度成为市区内最高峰。
湘江是长沙最重要的河流，由南向北贯穿整个城市，全长约75公里。它不仅南北横跨长沙城区，将城市分为河东和河西两个部分，河东区域主要以商业经济为主，而河西则以文化教育为主要产业。2001年10月10日，市政府办公地点从河东的藩正街搬迁至河西的观沙岭，旨在推动河西经济的发展，以实现两岸的均衡。
长沙的地图坐标为东经111°53'至114°5'，北纬27°51'至28°40'，东西长约230公里，南北宽约88公里。整体地势呈现东西向的长条形状，北部、西部和南部边缘为山地，东南部则是丘陵地带，东北部则以岗地为主。土壤以板页岩风化物为主，夹杂有红土和砂砾岩等。
长沙属于亚热带季风性湿润气候，四季分明。春末夏初多雨，夏末秋季则较为干燥；春季天气变化无常，夏季和秋季则多晴天，冬季短暂而炎热，全年无霜期约为275天，年平均气温为16.8～17.2℃，年平均降水量为1422.4毫米。水资源以地表水为主，水源充足，年均地表径流量达808亿立方米。除了湘江外，还有15条支流汇入湘江，其中浏阳河、捞刀河、靳江和沩水是主要支流。最大的水库包括宁乡境内的黄材水库和浏阳境内的朱树桥水库。
