西湖的自然山水是"西湖景观"的自然载体和组成要素。从地质学角度来讲，西湖自然山水具有古泻湖、褶皱山的特色。从景观角度讲，西湖的自然山水以"秀美"而著称，湖水与群山紧密相依。低缓的群山呈马蹄形环布在西湖的南、西、北三面，层叠而舒展，天际线柔和委婉，群山环抱中的湖水盈满平静。旖旎的湖光三色激发了中国古代文人无限的创作灵感，成为中国山水画的重要题材，也是历代诗词文学的描写对象，西湖自然山水由此承载了丰富的历史文化内涵，是西湖文化景观不可替代的特征要素。在近千年的文明与文化发展影响下，西湖山水与堤岛、桥涵、亭台、楼阁等多种人工作品交融渗透，共同构成了西湖景观山水优美、人文荟萃、内涵丰富的显著价值。
（1）西湖水域
西湖水域原为与钱塘江相通的浅海湾，后在长江和钱塘江的大量泥沙冲淤下，逐渐变为泻湖。大约在2600年前，由于泥沙的不断淤积，堵塞了湖与海的通道，又使其变为淡水湖泊。经历代人工疏浚治理，演变至今。
西湖湖体轮廓近似椭圆形，面积559.30公顷。湖面东至湖滨路，南到南屏山、夕照山、九曜山，西到玉岑山、吉庆山、丁家山、三台山，北濒栖霞岭、葛岭和宝石山。
全湖被孤山以及人工建造的白堤、苏堤划分为外湖、北里湖、西里湖、岳湖、小南湖五个水面，各湖水体通过桥洞相互沟通，形成"湖中有湖"的格局，增强了水体景观的层次感和含蓄性。沉静而优雅的湖水，是联系堤、岛、桥、涵、塔、寺、园林等景观构筑的重要景观要素。
西湖水域位于杭州城西，在城市水源补给、生态调节方面一直发挥着巨大作用，是人们在此历代栖息生活的保障。在持续至今的西湖疏浚过程中，西湖水域的城市功能从农业灌溉、城市用水演化为生态功能和观赏功能，体现了人类聚居地选址、开发与自然生态环境相结合的科学性，始终体现出中国追求人与自然高度河蟹的价值传统。
（2）西湖群山
西湖周围的群山属于天目山余脉，是因地质构造运动形成的古泻湖周边的褶皱山，峰峦层叠起伏，自然风光秀美。湖西的群山是西湖主要天然水源的发源地，其中发晕的金沙涧、龙泓涧、赤山溪、长桥溪、九溪等溪流，是西湖的重要水源。自秦汉时期（公元前3世纪）至清代（公园19世纪）的两千余年间，伴随着西湖东岸的人类聚居和城市发展，西湖周边的群山也逐渐受到开发，成为文人名士的游赏、居住地和佛、儒、道等文化和宗教活动的开展地，西湖群山具有了丰富的文化底蕴，成为西湖文化景观重要的组成要素。根据西湖上的景观视域所及范围，涉及的西湖群山总分布面积300多公顷。
西湖群山按文化活动开发沿革和相对于西湖的地理方位，可分为北山、南山两套峰峦系列，以湖西侧的最高峰天竺山为界。根据山势高低可分为四个层次：第一层次主要由沿湖的孤山、丁家山和夕照山构成，海拔高度均在50米以下，第二层次主要由海拔在50米至150米左右的山体构成；第三层主要由海拔高度在150米至250米间的山体构成；第四层次由西湖群山的外圈山峰构成，海拔高度多在250米至400米间。
西湖群山根据岩性差别又可分为两类：其中第四层次属高丘陵地形，岩性较硬，不易风化侵蚀，峰峦挺秀，溪涧纵横；海拔较低的内三层属低丘陵地形，山体多为向斜山地，易受水流溶蚀，天然溶洞较多。
（3）西湖自然生态
西湖文化景观所在地属于北亚热带季风性湿润气候，三面环山，东南面海，出于浙西丘陵山区向杭、嘉、湖平原沉降的国度地带，四季分明，雨量充沛，空气常年湿润，植被类型从森林（亚热带常绿阔叶林）向湿地过渡。
西湖景观申报范围由温湿的气候和多样的自然环境为动物创造了优越的生活条件。据统计，目前景区内有鸟类193种，兽类16种，爬行类26种，两栖类11种，鱼类51种，无脊椎动物1000余种。
西湖周边植被茂盛，物种极为丰富。申报范围内目前有种子植物184科739属1369种，其中裸子植物7科19属28种，被子植物150科675属1272种，蕨类27科45属68种。
西湖周边古树名木众多，大多与宗教寺院密切关系，主要分布在灵隐、天竺、吴山以及孤山一带。总计共有300年以上的古树名木125株，其中包括香樟69株、枫香11株、苦槠2株、银杏13株，其他如楸、珊瑚朴、龙柏、沙朴、腊梅、花楸、黄连木等共22个树种，这些古树名木共同见证了西湖周边在历史时期植被茂盛、植种丰富的良好自然生态。