市境地质构造处于全国东部新华夏系构造第三个一级隆起带的南西段，西部为武陵山二级隆起带的南段，东南部为沅麻盆地二级沉降带的西缘，呈北北东——北东向展布，由一系列皱褶和断层组成。
吉首市境地貌以中低山和低山地貌为主，面积占全市面积的80%，西北高，东南低，呈中山、中低山和低山三级梯降，西北部和东南部地势高差824米。山脉呈带状平行排列，西部、西北部为中山，高峰重峦，山大坡陡，悬崖峭壁，山脉北东、北北东走向。西南部为低山，山脉北东、北北东走向。东部、东南部为红岩低山，山峰丛丛，岭峪交错。中部为较开阔的盆地，平、丘、岗地貌发育。吉首城区地貌属于低山、丘、岗、平地区，地势较平坦，四周山坡平缓。乾州地势较开阔平坦，呈盆地状，四周为低山、岗、丘。市境岩溶地貌发育，溶沟、漏斗、落水洞等岩洞形态典型，发现的较大溶洞有69个，其中查明基本情况的有56个，总长18578米、平均宽11.5米、平均高9.5米，总面积18.58万平方米，可利用面积13.92万平方米。 2014年，吉首市有陆生脊椎野生动物42科108种，其中鸟类16科48种、兽类15科30种、爬行类6科16种、两栖类5科14种。属国家一级保护的野生动物有金雕、白颈长尾雉2种；属国家二级保护的有猕猴、穿山甲、大鲵、小灵猫、锦鸡、虎纹蛙及猛禽类共28种；属省三级保护的有银星竹鼠、猪獾、扫尾豪猪、鼬獾、黄鼬、青鼠、小麂、环颈雉、红嘴相思鸟、野猪、灰鼯鼠、尖吻蝮、银环蛇、眼镜蛇、五锦蛇、滑鼠蛇、中华大蟾蜍、棘胸蛙、画眉、啄木鸟、华南兔等41种。猕猴、小灵猫主要分布在社塘坡、寨阳、矮寨等乡镇，金雕主要分布在社塘坡乡齐心村，其余种类分布较广泛。
吉首市境内有野生植物有木本植物73科336种。主要优势树种有樟、壳斗、木兰、金缕梅、桃金娘等28科205种，其中属国家一级重点保护的珍稀植物有珙桐、银杏、苏铁、红豆杉、柏栎树5种；属国家二级重点保护的有榉木、翠柏、金钱松、红毛椿、青檀、樟树、闽楠、楠木、伞花木、厚朴、篦子三尖杉11种。 2014年，吉首市已发现的矿藏有26个矿种，即水泥灰岩、水泥粘土、建筑材料用灰岩、白云岩、大理石、石煤、钒、含钾页岩、汞、重晶石、磷、矿泉水、铅、锌、钨、镍、钴、金、银、铷、煤、石墨、方解石、黄铁矿、陶土和岩肥，其中前12种为主要矿种，水泥灰岩、白云岩、大理石、钒、磷和含钾页岩为优势矿种。
2014年，吉首市已探明矿床地117处，其中保有储量达中型矿床2处，即双塘镇周家寨水泥灰岩矿床和建筑材料用灰岩矿床；具大型远景矿床2处，即社塘坡乡三岔坪村和双塘镇双塘村含钾页岩矿床；小型远景矿床6处；矿点14处。 1989～2005年，吉首市年均降水量1375.5毫米。降水在时间上分布不均，主要集中在4月和5月；在地域上存在差异，夏季局部区域大强度暴雨过程较明显，月径流总量由东北部向东南部递减。地表水总量年均28亿立方米。其中：本地产水9亿立方米；花垣、保靖、凤凰、泸溪和古丈流入吉首的客水量19亿立方米，客水面积2080平方千米。
吉首市境河流流量小，河床窄，坡降大，水流急，2000～2005年，平均水能蕴藏量55832千瓦，可开发量18025千瓦，占水能蕴藏量32.28%。
