长沙位于中国中南部的长江以南地区，湖南省的东部偏北。地处洞庭湖平原的南端向湘中丘陵盆地过渡地带，与岳阳、益阳、娄底、株洲、湘潭和江西萍乡接壤。总面积为11818平方公里，其中市区面积1938.5平方公里，建成区面积320平方千米（截至2011年7月）。位于浏阳境内的大围山七星岭海拔1616米，为辖区最高处；岳麓山的云麓峰海拔300.8米，为城区至高点。
湘江为长沙最重要的河流，由南向北贯穿全境，境内长度约75公里。湘江自南向北贯穿长沙城区，把城市分为河东和河西两大部分。河东以商业经济为主，河西以文化教育为主。2001年10月10日，市政府驻地由河东藩正街迁至河西观沙岭，力在发展河西的经济以平衡长沙两岸。