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神农架自然保护区是我国西南高山与华中丘陵的过渡地带，属于大巴山脉的延伸部分，地质结构为晚前寒武纪典型地带，气候是以北亚热带向中亚地带的过渡区域。这里保存了较为完好的原生和次生生物群落，是研究生物物种多样性、典型性以及植被自然演替规律的理想场所，是我国西南、华中、华南、华北和西北动植物区系的汇合地，包含着半个我国的植物种类和亚热带、暖温带、寒温带三种植物垂直分布类型。
远古时期，神农架林区还是一片汪洋大海，经燕山和喜马拉雅运动，逐渐提升成为多级陆地，并形成了神农架群和马槽园群等具有鲜明地方特色的地层。
神农架位于我国地势第二阶梯的东部边缘，由大巴山脉东延的余脉组成中高山地貌，区内山体高大，由西南向东北逐渐降低。区内山势高大，山峦重叠，山坡陡峻，河谷深切，峡谷纵横，绝壁高悬，山峰挺拔，气势雄伟。
神农架平均海拔1700米。山峰多在1500米以上，其中海拔3000米以上的山峰有6座，海拔2500米以上的山峰20座。最高峰神农顶，海拔为3105.4米，成为华中第一峰，因此有“华中屋脊”之称。西南部的石柱河海拔仅398米，为境内最低点，相对高差达2706.4米。
神农架自然保护区山地，在新构造运动时期，处于湖北省上升的中心，因而遭受侵蚀、剥蚀的影响较强，山体顶部地形平缓，比较开阔，形成高山台地。随海拔高度的降低，山体遭受强烈的切割，地形陡峭，形成“V”型深切河谷，山体坡度一般在30度至50度之间，系典型的峡谷地貌，坡麓与阶地发育不全。
神农架地貌类型复杂，主要为山地地貌，还有流水地貌、喀斯特地貌和第四纪古冰川形成的冰川地貌。