Hồ Nam nằm ở phía nam Trường Giang và gần như tỉnh này nằm ở trung tâm chiều dài dòng chảy của sông. Ở phía đông bắc của Hồ Nam, Trường Giang tạo thành một đoạn ranh giới tự nhiên giữa Hồ Nam và Hồ Bắc. Ở phía bắc Hồ Nam có hồ Động Đình, bốn sông Tương, Tư, Nguyên, Lễ cung cấp nước cho hồ này. Hệ thống sông tại Hồ Nam giống như hình cái quạt, hầu hết đều đổ vào bốn chi lưu chính của hồ Động Đình. Hồ Động Đình chảy ra Trường Giang. Hồ Động Đình là hồ nước ngọt lớn nhất tỉnh và là một trong số các hồ nước ngọt lớn nhất Trung Quốc. Do hoạt động cải tạo đất để phục vụ cho nông nghiệp, hồ Động Đình nay bị phân thành nhiều hồ nhỏ, mặc dù gần đây đã có một số nỗ lực nhằm đảo ngược xu hướng này.

Hồ Nam có núi bao quanh ba mặt đông, nam và tây nam, địa hình trung bộ và bắc bộ thấp và bằng phẳng, hình thành bồn địa hình móng ngựa, mở ra ở phía bắc với hồ Động Đình là trung tâm. Ở phía tây bắc có dãy núi Vũ Lăng (武陵山脉), ở phía tây nam có dãy núi Tuyết Phong (雪峰山脉), ở phía nam là dãy núi Ngũ Lĩnh (tức Nam Lĩnh), dãy núi La Tiêu (罗霄山脉) nằm trên vùng ranh giới Hồ Nam-Giang Tây. Phần lớn Hồ Nam là các gò đồi và núi thấp, tổng diện tính của chúng khoảng 149.000 km², tức khoảng 70,2% tổng diện tích; vùng sườn núi và đồng bằng có diện tích khoảng 52.000 km², chiếm 24,5%; diện tích sông hồ là khoảng 11.000 km², chiếm 5,3%. Trừ dãy núi Hành Sơn có độ cao trên 1000 m thì bộ phận còn lại của Hồ Nam có độ cao dưới 500 m. Đỉnh cao nhất tại Hồ Nam là Tĩnh Cương Sơn tại vùng giáp ranh của Viêm Lăng, với cao độ là 2.122 mét.

Hồ Nam có khí hậu cận nhiệt đới, và theo phân loại khí hậu Köppen, nó được phân loại là cận nhiệt đới ẩm (Köppen Cfa), với mùa đông ngắn, mát, và mùa hè rất nóng và ẩm, nhiều mưa. Nhiệt độ trung bình tháng 1 là 3 đến 8 °C (37 đến 46 °F) trong khi nhiệt độ trung bình tháng 7 là khoảng 27 đến 30 °C (81 đến 86 °F). Lượng mưa trung bình là 1.200 đến 1.700 milimét (47 đến 67 in).

Tỉnh Hồ Nam giàu tài nguyên khoáng sản. Đã xác định được tại Hồ Nam có 37 chủng kim loại màu. Trữ lượng wolfram, bitmut và antimon của Hồ Nam đứng đầu cả nước, ngoài ra, tỉnh cũng có trữ lượng đứng vào nhóm đầu cả nước về vanadi, thiếc, than chì, barit.