永州市北邻衡阳、邵阳，东连郴州，西接广西桂林、贺州，南接广东清远。湘江经西向东穿越零祁盆地，潇水自南至北纵贯全境。位于北纬24°39′至26°51′，东经111°06′至112°21′之间，南北相距最长245公里，东西相间最宽144公里，全市总面积2.2万平方公里。

永州市位于湖南省南部三面环山、向东北开口的马蹄形盆地的南缘。境内地貌复杂多样，河川溪涧纵横交错，山岗盆地相间分布。永州山地面积大，主要山脉有越城岭－四明山系、都庞岭－阳明山系和萌渚岭－九嶷山系。

永州市地形基本特征，由上述三个山系将永州分隔成南北两大相对独立的部分。在三大山系及其支脉的围夹下，构成零祁盆地、道江盆地两个半封闭型的山间盆地：位于北部的零祁盆地，面积达855.4万亩，盆地内地势低平开阔，耕地连片延伸；盆地周围由北面的四明山、西北的越城岭、南面的紫金山、东南面的阳明山相环绕，东北向衡阳盆地敞口。南部道江盆地，面积1024.27万亩，盆地内丘岗起伏，耕地连片；盆地东面向郴州、永兴盆地开口，西南成狭长谷地向江永、江华南部延伸，形成串通湖广的交通走廊；盆地外周由北面的阳明山、西北的紫金山、西面的都庞岭、南面的萌渚岭－九嶷山围隔而成。

永州西南高，东北及中部低，地表切割强烈，以三大山系为脊线，呈环带状、阶梯式向两大盆地中心倾降。从中国地形看，永州位于由西向东倾降的第二阶梯与第三阶梯的交接地带，是南岭山地向洞庭湖平原过渡的初始阶段。西北、西、西南三大山系，山体巍峨蜿蜒，山峰高达千米以上。都庞岭的峰顶韭菜岭，海拔2009.3米，是境内最高点。东北及中部，丘岗星罗棋布，谷盆相嵌，海拔一般在300米以下。湘江河谷祁阳唐家岭的九州，海拔63米，是境内最低点。全域相对高差1946.3米，比降达2.7～20％，切割深一般为300～700米，最深达800～1000米。

永州市地貌类型复杂，以丘岗山地为主。永州地貌类型发育，在历次构造运动、岩浆侵入以及地表水的长期风化剥蚀下，形成了以山丘地为主体，丘、岗、平俱全的复杂多样的地貌类型。全域有中山、中低山、低山总面积11044.53平方公里，占永州市总面积的49.5％。丘陵3242平方公里，岗地3979平方公里，平原3191平方公里，水面880平方公里，分别占总面积的14.5％、17.81％、14.29％和3.94％。

永州市共有大小河流733条，总长10515公里。境内河流受地形地貌及构造断裂带的控制，大都呈由南向北或自西向东的走向，并分为三个水系：一是湘江水系，包括境内主要河流，流域面积21464平方公里，占永州市总面积的96.09％。二是珠江水系，主要是江永桃川、江华河路口一带及蓝山的一部分小河，流域面积为77.8平方公里。三是资江水系，只有东安南桥、大盛部分地方的小河属之，流域面积101.3平方公里。永州主要河流有湘江、潇水、宁远河、泠江、白水、祁水、舂陵水、永明河等。

永州境内的水系主要有以下三个特征：一是河流纵横，呈树枝状分布。绝大多数河流从西北、中部、南部三大山系发源，穿山绕岭，逐级汇流，形成树枝状流域网，汇集于潇湘二水，最后从零祁盆地东北口流出，注入洞庭湖。二是河流水量大，易涨易涸。永州河流总水量占湖南省河流年均总水量的11.1％。其水源主要靠自然降水，因而年内各季的水位变化大。春末夏初的暴雨期，各河流会出现短期洪汛，水位差在5～18米，径流量超过正常值的几倍甚至几十倍。而秋冬枯旱时，河流就会涸浅，有的甚至会断流。三是河床坡降大，谷深流急。南岭山地相对高差大，地势比降达2.7～20％。穿越这里的河流下切，河道窄而切割深，水流湍急，落差集中。