核桃楸高達20余米;枝條擴展,樹冠扁圓形;樹皮灰色,具淺縱裂;幼枝被有短茸毛。奇數羽狀復葉生于萌發條上者長可達80厘米,葉柄長9-14厘米,小葉15-23枚,長6-17厘米,寬2-7厘米;分布區地處溫帶、局部地區可伸入熱帶北緣。喜歡涼干燥氣候,耐寒,能耐-40℃嚴寒。
雄性葇荑花序長9-20厘米,花序軸被 短柔毛。雄花具短花柄;苞片頂端鈍,小苞片2枚位于苞片基部,花被片1枚位于頂端而 與苞片重疊、2枚位于花的基部兩側;雄蕊12枚、稀13或14枚,花藥長約1毫米,黃色, 藥隔急尖或微凹,被灰黑色細柔毛。雌性穗狀花序具4-10雌花,花序軸被有茸毛。雌花 長5-6毫米,被有茸毛,下端被腺質柔毛,花被片披針形或線狀披針形,被柔毛,柱頭鮮紅 色,背面被貼伏的柔毛。果序長約10-15厘米,俯垂,通常具5-7果實,序軸被短柔毛。
果實球狀、卵狀或橢圓狀,頂端尖,密被腺質短柔毛,長3.5-7.5厘米,徑3-5厘米;果核 長2.5-5厘米,表面8條縱棱,其中兩條較顯著,各棱間具不規則皺曲及凹穴,頂端具 尖頭;內果皮壁內具多數不規則空隙,隔膜內亦具2空隙。花期5月,果期8-9月。