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  大帽山主要由火山岩組成,山谷中亦有不少沉積岩。山坡的上半部露出山脊,亦有一些石澗由高地流到深淵山谷。東南部主要可分為三條主流,大曹石澗下曹公潭,大圓石澗下三疊潭及大城石澗下城門水塘;東北部與支脈觀音山相互由梧桐寨瀑布開始,下經林村谷匯合大埔河後在太和邨附近流出吐露港。西南部由甲龍至河背水塘引水道經蓮花山及田夫仔下大欖湧水塘。 大帽山處香港中央,亦是香港最高峰。諸澗發源大帽,群脊伸延八方,前白略有梧桐水系、大雷水系、大石水系、大曹水系、大圓水系及大城水系,後者有觀音山延脈、鹿山延脈、草山及針山延脈等,可通之途、可組之線多姿多采,各色其色,山頂飽覽香港絕大部分地方,天色好時更可遠望廣東,是一座令人難忘的山體。

  大帽山為全香港平均溫度最低的地方之一,也是香港少數被歸類為溫帶季風氣候的地方,全年總平均溫度只有攝氏17.2度左右,比香港市區平均的攝氏23.3度低6.1度,當隆冬下市區溫度在徘徊10度左右時,清晨山頭溫度多已接近冰點(0度)或更嚴寒,並多會出現強烈的風寒效應,此時登山的遊客往往會感到比實際溫度低數度至十度左右的體感溫度,若做不足保暖措施便可能增加凍傷的風險。因此冬季時有結冰或霜凍現象,甚至會間中出現凍雨、霰、雨夾雪及輕微降雪的冬季特殊天氣現象。全年亦有103天處於寒冷天氣(最低氣溫低於12.0度)狀態,乃全港之冠。另全年平均相對溼度亦高達百分之89,尤其每年三、四月霧氣最濃。  在每年9月底至11月期間的秋高氣爽的日子,萬里晴空山頭經常清晰可見,身處其上,能俯瞰香港陸地版圖超過八成半地域,東面的獅子山、飛鵝山;南面港島的太平山及背後的南丫島,西南面的大東山、鳳凰山;西面九徑山及青山;西北面的雞公嶺、大刀屻及觀音山;東北面的馬鞍山及八仙嶺及吐露港。元朗平原等均盡入眼簾。  由於位於高地,氣候獨特,接近高空大氣,加上山頂全無障礙物妨礙訊號收發,香港天文臺、民航處分別在1999年及1978年於大帽山設定兩個雷達站,提供氣象及航空雷達影像和資料;而解放軍在山上亦建有監聽站及守衛室,唯不屬於法定防衛用地之列。  大帽山雖然是香港第一高峰,由於在930米以上屬於天文臺禁區,訪遊大帽山,遊人多會沿著大帽山林道(車路)登上山頂部分,而大帽山林道的最高點就在頂部禁區閘口之前,該處之海拔高度已近930米,但此地並非大帽山上可以登遊的最高位置。

  一股來自俄羅斯西伯利亞非常強烈的寒潮於1月22日中午前後抵達香港,大帽山的氣溫由中午約攝氏16度暴跌至23日清晨的零下2至3度,並首先出現結霜和結冰現象,其後更因北風強烈及潮溼低溫而出現霧凇、頻密雨夾雪、霰、凍雨及陣雪天氣。24日大帽山曾經錄得零下6.0度的氣溫,全日最高溫度只有零下3度,翌日也錄得零下5.9度低溫。而25日清晨4時大帽山錄得最低草溫達零下6.7度,是大帽山以至有記錄以來最嚴寒的一天。

  大帽山山頂旁加建了一個球形建築物,用途不明,但在2014年有媒體稱是一個監聽香港無線電訊號的監聽站,估計由解放軍駐港部隊興建,更認為最有可能是由空軍三局負責監聽情報,更指用於監察如市民、政界人士和外國政要等的電話及無線電通訊,而內裡軍人平日使用民用車牌車輛出入,行為低調神祕。由於是軍事重地,遊人不宜久留。禁區部分四周圍有鐵絲網,更嚴禁攝影。  《漢和防務評論》雜誌稱,該建築為總參三部建設的訊號情報監聽站,比在新疆、西藏的監聽站還大;從士兵的服裝判斷,是中共解放軍空軍所有;該雜誌又稱,監聽站是中國版《稜鏡計劃》的一部分,解放軍已經在全中國各地與臺灣海峽建立了35座同類的監聽站,但香港的規模最大。  對於以上的懷疑,香港特區政府在回覆立法會議員質詢時指大帽山頂有關範圍並不屬全港19個軍事用地之一,稱該處一直以來是特區政府的土地,用於設定不同的通訊裝置,並補充說香港19處軍事用地均是根據中英兩國政府於1994年就香港軍事用地未來用途的安排所互換照會而設立的。

  大帽山山峰東南面有森林,但受到地勢和氣溫的影響,亞熱帶喬木伸展至海拔550米為止,再高的位置則以較耐寒和耐風的灌木及草為主。有多種稀有香港原生植物生長於大帽山,包括葛量洪茶、山櫻花樹、香港金線蘭、穗花杉等等。從前,大帽山曾盛產一種綠茶。現時一些山坡上仍可看到梯田的痕跡。  動物方面,大帽山有各種鳥類、蛇及大頭龜、蝴蝶,亦有不少螢火蟲。
大帽山(英語:Tai Mo Shan),俗稱「大霧山」,是香港最高的山峰,海拔957米,比第二高的山峰鳳凰山高23米。大帽山昂然屹立新界中部,幅員廣闊,傲視同群,坡度相對平緩,被劃入大帽山郊野公園和城門郊野公園之內。行政規劃中分別屬於荃灣區、元朗區和大埔區。大帽山上多條山脊均有俗稱,加上山體偏高,平均倚附在山脊俱在700米以上。