동경 128°60′∼128°63′, 북위 35°33′∼35°34′에 있다. 높이는 1,189m이다. 천황산은 태백산맥의 여맥이 남쪽으로 뻗은 경상남도의 동북부 산악지대에 있다. 원동구조선(院洞構造線)을 경계로 동쪽에는 간월산(肝月山, 1,083m) · 신불산(神佛山, 1,209m) · 영축산(靈鷲山, 1,081m), 서쪽에는 고헌산(高獻山, 1,033m) · 가지산(加智山, 1,240m) · 운문산(雲門山, 1,188m) · 천황산 등이 이어진다. 표충사 주변에서 가장 높은 산이기 때문에 천황산이라 부르게 되었다고 한다.
지질은 주로 신라통의 혈암과 사암으로 되어 있으며, 부분적으로 반암이 분포한다. 고위평탄면과 급사면을 보이는 곳은 주사산안산암질류 내지는 운문산유문암질암류로, 산록의 완사면은 화강암으로 구성되어 있다.
천황산의 동북쪽 1,000m 지점에서 동남쪽으로 완경사를 나타내는 사면은 높이 800m 부근에서 분지상의 평탄면을 이루어 사자평(獅子坪)이라 불린다. 이것은 약간의 기복을 이루면서 남쪽의 재약산(載藥山, 1,108m) 남서부까지 뻗어 있다.
반면 천황산에서 재약산으로 이어지는 능선의 서사면은 경사 33° 내외의 급사면을 이룬다. 천황산에서 동쪽으로는 단장천(丹場川)이 원동구조곡을 남북으로 관통하고, 서쪽으로는 단장천의 지류인 시전천(枾田川)이 흐른다.
천황산에는 표충사(表忠寺) · 내원암(內院庵) · 서상암(西上庵) 등의 사찰과 층층폭포 · 금강폭포 등의 관광 명소가 있다. 표충사에는 사명대사의 유품 등 많은 문화유산이 있다. 북쪽 사면의 높이 600m 계곡에는 밀양 남명리 얼음골(천연기념물, 1970년 지정)이 있으며, 기우제를 지내던 호박소가 있어 많은 관광객이 찾아든다. 또 높이 900m의 평탄면에는 조선 중기의 것으로 추정되는 울주 천황산 요지(사적, 1964년 지정)가 있다.