水曲柳，落叶大乔木，高达30米，小枝粗壮，黄褐色至灰褐色，四棱形，节膨大，光滑无毛，散生圆形明显凸起的小皮孔;叶痕节状隆起，半圆形。羽状复叶长35厘米-35厘米;叶柄长6厘米-8厘米，近基部膨大，干后变黑褐色;叶轴上面具平坦的阔沟，沟棱有时呈窄翅状，小叶着生处具关节，节上簇生黄褐色曲柔毛或秃净;小叶7枚-11枚，纸质，长圆形至卵状长圆形，长5厘米-20厘米，宽2厘米-5厘米，先端渐尖或尾尖，基部楔形至钝圆，稍歪斜，叶缘具细锯齿，上面暗绿色，无毛或疏被白色硬毛，下面黄绿色，沿脉被黄色曲柔毛，至少在中脉基部簇生密集的曲柔毛，中脉在上面凹入，下面凸起，侧脉10对-15对，细脉甚细，在下面明显网结;小叶近无柄。圆锥花序生于枝上，先叶开放，长15厘米-20厘米;花序梗与分枝具窄翅状锐棱;雄花与两性花异株，均无花冠也无花萼;雄花序紧密，花梗细而短，长3毫米-5毫米，雄蕊2枚，花药椭圆形，花丝甚短，开花时迅速伸长;两性花序稍松散，花梗细而长，两侧常着生2枚甚小的雄蕊，子房扁而宽，花柱短，柱头2裂。翅果大而扁，长圆形至倒卵状披针形，长3厘米-3.5厘米，宽6毫米-9毫米，中部宽，先端钝圆、截形或微凹，翅下延至坚果基部，明显扭曲，脉棱凸起。花期4月，果期8月-9月。