绥宁县位于邵阳市境西部边陲，处北纬26°16′～27°8′、东经109°49′～110°32′之间状似北端向东倾斜的平行四边形。南北直线长103.5公里，东西直线宽56公里，总面积2927平方公里，占全市总面积14.1%，系全市面积最宽的县。东部由北向南分别与洞口县、武冈市、城步苗族自治县毗邻；西部由北向南分别同怀化地区的黔阳县、会同县、靖州苗族侗族自治县，通道侗族自治县交界。
县境为云贵高原东部边缘，雪峰山脉南端与八十里大南山西北部的交接地带。南、北、东三面高山怀抱，中部纵向隆起，将县境分作东西两大部分；西部随巫水而倾斜；东部随武阳河而递，东北两部依次形成中山、中低山、丘陵、岗地、河谷平原。山地占绥宁县面积73.8%丘陵地占22.7%，河谷平原占3.5%。最高点东南部的牛坡头海拔1913米，最低点西北部的麻塘溪口海拔205米。
绥宁县北靠雪峰山脉，南依大南山；主要山峰有高顶山、牛坡头、鸡公坡和神坡山，其中牛坡头海拔1913米，为辖境至高点。 境内流域面积大于10平方公里或河长5公里以上的河流94条，总长1685.公里，河网密度0.58公里/平方公里。其中，沅江流域占绥宁县总面积67.63%，资江流域32.37%。主要有巫水和武阳河。
巫水发源于湘桂接界的北石坳，流经城步苗族自治县清源、兰蓉、白云洞、儒林镇、羊石、关峡、长铺、竹舟江，于河口乡出境。
公溪河公溪河发源于绥宁县张家冲，经水口、洞口县那溪，于芋子塘出境。 县境属中亚热带季风湿润气候区，夏无酷暑，冬无严寒，昼夜温差较大，气候和植被垂直变化明显。年均日1348.9小时，年平均气温16.7℃，一月平均气温5.7℃，极端低温6.8℃（1971年1月30日）；七月平均气温26.7℃，极端高温40.5℃（1971年7月21日）。年平均无霜期304天，年平均降水量1320.0毫米，最少为1064.6毫米（1984），最多为1679.2毫米（1961年）。年降水量中，夏季占38%，秋季占15%，形成夏初洪水和初秋干旱。
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