桂林地处中国大陆南岭西段，位于山地与丘陵之间的河谷平原当中，湘江和漓江两大主要河流以及洛清江、资江等江流在其间蜿蜒流淌。南方亚热带的充足降水和常青绿树，与大自然的鬼斧神工共同结合，使桂林形成了“山青、水秀、洞奇、石美”的绮丽山水风光，自古以来就有“桂林山水甲天下”的赞誉。
桂林山水景观的地质基础，是巨厚的海相石灰岩。这些在三亿多年前的地质年代里有比较纯净的碳酸钙堆积形成的岩石，在后来上升为陆地之后，复杂地质作用使得它们被风化溶蚀，最终在地表矗立起美丽的孤峰和峰林、峰丛，地下和山中则因为地下水的作用形成了众多岩洞。由于不同部位地块的差异升降，古地下河所形成岩洞有的处在山腰间，有的至今仍在水下。溶洞中因地下水流动中所溶解的碳酸钙，从石缝中泌出，随水分蒸发而富集，在洞顶下垂形成丰富多样的石钟乳景观：有圆形或椭圆形的石盾、有多挂悬垂的石幔，在温度湿度相宜的空间还有细小而中空的鹅管、丛丛簇簇的石花等珍稀产物。而在洞底滴水所成的石笋、石塔，石笋与石钟乳相连的石柱，还有水坑边缘挥发凝聚形成的莲盆与层层阶梯状的边石坝……在桂林真是“无山不洞，无洞不奇”。桂林现已发现的2000多个溶洞，目前开放游览的有芦笛岩、七星岩、银子岩、冠岩等。其中最著名的是芦笛岩，其洞幽邃曲回，时而窄似峡谷，时而阔如广场，洞中最高处18米，最宽处93米。岩洞里千姿百态的钟乳石在现代灯光技术的映照下，构成了一个五彩缤纷的童话世界，有的像雄狮，有的像雪人，有的像牡丹，有的像宝帐，等等，令人叹为观止，素有“大自然艺术之宫”的美称。毗邻漓江的冠岩，因山形如帝王金冠而得名。洞穴全长12千米，分为上中下三层，神秘的地下河和奇特的旱洞绚丽壮观，气势恢宏。经过开发建设，洞内现有步行、乘坐观光滑道、乘坐观光电梯、乘坐洞内有轨列车、在地下河中乘小木船5种游览方式，从而荣膺上海大世界基尼斯岩洞游览方式最多之纪录。
桂林市区附近，巨厚碳酸岩层风化溶蚀，所形成的峰林平原景观优美、景点密集。市中心区的独秀峰、叠彩山、伏波山、象鼻山、穿山、塔山、虞山、雉山、老人山等各具风采。其中，独秀峰平地突兀而起，形如刀削斧砍，周围众山环绕，孤峰傲立，有“南天一柱”的赞誉。象鼻山半枕陆地，半沉江流，远处望去俨然一头大象伫立在漓江边上尽情贪饮。独具特色的山体在市区中犹如一座巨大的城市雕塑，被作为桂林市城徽的主体形象。而漓江东岸七星景区中形体较小的骆驼山，似一头绿洲里行进的骆驼，因为这里的水草丰美，它打算永远驻足于此。桂林的岩溶地貌，沿着漓江两岸，从兴安到阳朔、平乐一带，景观特别发育。既得到海内外不同民族、不同肤色的游客交口称誉，也被世界各国的地质学家深为赞叹。联合国教科文组织将桂林山水作为岩溶地貌的重要代表。6月，桂林作为“中国南方喀斯特”二期成员之一，与四川、贵州和广西另外地方的岩溶地区一起，在第38届世界遗产大会上列入世界自然遗产名录。
桂林的山水风光除了河谷平原上的岩溶地貌，还有连绵起伏的山地与丘陵。市域北部与湖南省交界附近，一东一西分别是南岭山脉五岭中的两个——都庞岭和越城岭，还有瑶族祖居地灌阳千家洞背靠的海洋山、华南第一峰猫儿山以及市域西侧的天平山等。桂林市区附近海拔在150米左右，这些高山大岭则到了1500米以上。猫儿山和越城岭主峰真宝顶分别是2141米、2123米，都庞岭主峰韭菜岭和海洋山主峰宝界山分别是米、1935米，西北部龙胜县境内的天平山最高峰福平包也有1916米。桂林，可以说拥有华南地区的屋脊。明朝地理学家徐霞客从湖南入广西，最先登临的高峰就是越城岭主峰真宝顶。而在海洋山和越城岭之间，地较低平，海拔一般在200至300米之间，自古以来就是中原地区与岭南之间的交通要道，通称湘桂走廊，现代仍然是陆地交通的走线通路。
地处华南地区，桂林的高山植被发育，在越城岭、猫儿山和天平山、海洋山，都发育成片森林，按海拔差异有不同类型的生物群落生存栖息，其中有第四纪冰川时期的孑遗植物铁杉、银杉、冷杉以及其他国家一、二级保护物种。为保护珍稀动植物和涵养水源，政府在这里设立了猫儿山自然保护区、花坪自然保护区、千家洞自然保护区和资源县银竹老山冷杉自然保护区4个国家级自然保护区和其他自治区级自然保护区、水源林保护区、鸟类保护区等，为环境保护和生态文明建设贡献了力量。桂林虽然以岩溶地貌著称于世，但也有丹霞地貌和花岗岩地貌的发育。形成丹霞地貌的是一种沉积在内陆盆地的红色岩层，这种岩层在千百万年的地质变化过程中，被水切割侵蚀，形成了红色山块群。地质历史时期河流湖泊的快速堆积与陆地浅水环境的迅速氧化，所形成的紫红色巨厚岩石地貌被称为丹霞地貌，8月第34届世界遗产大会已将“中国丹霞”列入世界遗产名录。在桂林市域内，资源县资江两岸的丹霞地貌较为典型。从县城往北顺江流乘船游览，从江畔的风帆石到天子山，再到与湖南新宁县交界处的八角寨，一路风景多姿，尤以顶平、崖陡、角多的八角寨附近最为壮观。而猫儿山、越城岭、海洋山和都庞岭几个巨大山体，其主体部分就是地下岩浆凝固所成的花岗岩，在四亿多年以前的地质时期形成。登临猫儿山主峰以及到真宝顶南观赏宝鼎瀑布，都可以见到大片裸露的花岗岩石。并因为这些大山的表层大多是花岗岩风化产物，喜酸性土壤的杜鹃花普遍发育，春天时的山坡上到处山花烂漫，色彩鲜艳。
在亚热带地区的充沛降雨条件下，桂林的水系发育良好，而森林植被的发育涵养着水源，也防止了石漠化和洪水季节泥石流的发生。河床主要以卵石、砾石和砂岩组成，泥质少，河溪自净能力强，水流清澈。根据测定，漓江的含沙量为每立方米0.067公斤，仅为黄河含沙量的千分之二左右，在广西众多河流中含沙量最小。自古以来文人墨客用不同的语汇赞誉桂林奇峰的同时，也吟诵着桂林的秀水。清代著名诗人袁枚曾有诗曰：“江到兴安水最清，青山簇簇水中生；分明看见青山顶，船在青山顶上行。”从桂林市区至阳朔县城的86千米河段，是桂林山水的代表和精华，两岸奇峰耸立，与清澈的江水交相辉映，被誉为百里画廊。而沿江诸山，山石嶙峋，裂隙有致，欲黑乍白，苔痕点染，总是给人以画的感觉。地处城市中心的叠彩山，因山石如锦彩绸缎层层相叠而得其名。唐代元晦的《叠彩山记》中说：“按图经，山以石纹横布，彩翠相间，若叠彩然，故以为名。”而漓江上著名的九马画山，高宽百余米的石壁上，青绿黄白，众彩纷呈，浓淡相间，斑驳有致，宛如一幅神骏图。明代大旅行家徐霞客这样描述：“其山横列江南岸，江自北来，至是西折，山受啮，半剖归削崖，有纹层络。绿树沿映，石俱黄、红、青、白，杂彩交错成章，上有远望如画屏，故名画山。”清代两广总督阮元对画山更是到了痴迷的程度，六年间五次来游。民谣曰：“看马郎，看马郎，问你神马几多双？看出七匹中榜眼，看出九匹状元郎。”也许是阮元始终没能看出石壁上究竟几匹马，觉得对不起自己的两榜进士出身，所以才多次从广州长途跋涉到此一游吧！
而在江流上游，坡降较大，水流湍急，乘橡皮筏顺水漂流，搏斗嬉戏，既是当代体育运动的一类，也为山野游玩之人所喜爱。经国家体育总局专业人士考察，桂林资源五排河可以完全满足漂流运动世界级比赛条件，适合成为激流回旋运动训练基地和比赛场所，曾经成功举办全国漂流赛事。而临桂十二滩、阳朔龙颈河等处的漂流，也各有特色。而在较大山谷中横拦筑坝，蓄水成湖，既为发电灌溉提供方便，在大片水面间乘几只竹筏小船，休闲游玩，也是灵川青狮潭、全州天湖等处别有的雅趣。
桂林山水风光多彩多姿，其中的漓江、龙脊梯田、八角寨、遇龙河、象山、芦笛岩、两江四湖、天湖、猫儿山、会仙湿地，被认为是桂林十大精品自然景观；漓江、猫儿山、尧山、阳朔工农桥、会仙湿地、奇峰镇东山村、叠彩山、古榕双桥、木龙湖、南洲大桥等处，则被认为是十大桂林最美日落日出观赏地；恭城西岭桃花、阳朔遇龙河油菜花、灌阳白竹坪梨花、猫儿山杜鹃花、南溪山樱花、訾洲公园郁金香、西山景区荷花、乐满地主题乐园茶花、两江四湖紫玉兰、雁山区雁山镇桂花则是十大桂林赏花点。这些都非常值得人们前往观赏游玩。
