全市地貌总的特征是：地势起伏较大，地貌类型多样，地表水系发育。长沙市东北是幕阜～罗霄山系的北段，西北是雪峰山余脉的东缘，中部是长衡丘陵盆地向洞庭湖平原过渡地带。东北、西北两端山地环绕，地势相对高峻，中部递降趋于平缓，略似马鞍形，湘江由南而北斜贯中部，南部丘岗起伏，北部平坦开阔，地势由南向北倾斜，形如一个向北开口的漏斗。城内为多级阶地组成的坡度较缓的平岗地带，湘江中的橘子洲长5公里，在全国城市中绝无仅有。
长沙市东有连云山、大围山、九岭山等呈东北～西南走向作雁行状排列，峡谷平行相间，海拔800米以上山峰有50多座，最高峰七星岭海拔1607.9米。长沙西有海拔800米以上的山峰13座，望城县乔口湛湖的海拔23.5米，为全市最低点；最高点与最低点相差1584.4米。在平岗区有孤峰高耸，与周围平地显现较大的高低差异。
长沙市的河流大都属湘江水系，除了湘江外，还有汇入湘江的支流有15条，主要有浏阳河、捞刀河、靳江和沩水河。 支流河长5公里以上的有302条，其中湘江流域289条。按支流分级：一级支流24条，二级支流128条，三级支流118条，四级支流32条；另有13条属资江水系；形成相当完整的水系，河网密布全市。长沙水文特征：水系完整，河网密布；水量较多，水能资源丰富；冬不结冰，含沙量少。