落叶乔木，高20-25m。树皮灰白色，幼时平滑，老时浅纵裂。小枝被短腺毛，具明显的叶痛和皮孔；冬芽被芽鳞；髓部白色，薄片状。奇数羽状复叶，互生，长40-50cm，小叶5-9枚，有时13枚，先端1片常较大，椭圆状卵形至长椭圆形，长6-15cm，宽3-6cm，先端钝圆或锐尖，基部偏斜，近于圆形，全缘，表面深绿色，有光泽，背面淡绿色，有侧脉11-9对，脉腋内有一簇短柔毛。花单性，雌雄同株，与叶同时开放，雄葇荑花序腋生，下垂，长5-10cm，花小而密集，雄花有苞片1，长圆形，小苞片2，长卵形，花被片1-4，均被腺毛，雄蕊6-30；雌花序穗状，直立，生于幼枝顶端，通常有雌花1-3朵，总苞片3枚，长卵形，贴生于子房，花后随子房增大；花被4裂，裂片线形，高出总苞片；子房下位，2枚心皮组成，花柱短，柱头2裂，呈羽毛状，鲜红色。果实近球形，核果状，直径4-6cm，外果皮绿色，由总苞片及花被发育而成，表面有斑点，中果皮肉质，不规则开裂，内果皮骨质，表面凹凸不平，有2条纵棱，先端具短尖头，内果皮壁内具空隙而有皱折，隔膜较薄，内里无空隙。花期5-6月，果期9-10月。
用东北山核桃加工而成的食用植物油，油色清味香，品位，含有脂肪酸、油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸占88%~96%之间，高于油茶油，也高于食用橄榄油。常食山核桃仁、油产品，具有健脾开胃、润沛强肾、滋补康复、预防冠心病、降低血脂的功效。是一种健康味美、营养丰富的天然绿色营养食品。
种仁多破碎成不规则的块状，完整者类球形，由二瓣种仁合成，皱缩多沟，凹凸不平。外被棕褐色薄膜状的种皮包围，剥去种皮显黄白色。质脆，子叶富油质。气微弱，子叶味淡，油样，种皮味涩。以色黄、个大、饱满、油多者为佳。