อุทยานแห่งชาติเขาหลวง ตั้งอยู่ระหว่างละติจูดที่ 08 องศา 22 ลิปดา - 08 องศา 45 ลิปดา เหนือ และอยู่ระหว่างลองติจูดที่ 99 องศา 37 ลิบดา - 99 องศา 51 ลิบดา ตะวันออก พื้นที่อุทยานแห่งชาติครอบคลุมเทือกเขานครศรีธรรมราชตอนกลาง ประกอบด้วยเทือกเขาสูงสลับซับซ้อนทอดยาวเหนือจรดใต้ขนานไปกับชายฝั่งทะเลด้านตะวันออก มีที่ราบตามหุบเขาเล็กน้อย ดินบนภูเขาเป็นดินที่เกิดจากการผุสลายของหินแกรนิต มียอดเขาสูงสุดคือ ยอดเขาหลวง สูงจากระดับน้ำทะเล 1,835 เมตร เป็นต้นกำเนิดของต้นน้ำลำธารหลายสาย เช่น แม่น้ำตาปี แม่น้ำปากพนัง คลองกรุงชิง คลองเขาแก้ว คลองท่าแพ คลองระแนะ และคลองละอาย อันเป็นแหล่งน้ำที่สำคัญของพื้นที่โดยรอบอุทยานแห่งชาติเขาหลวง เป็นต้น