核桃樹(shù)一般高達3—5米，樹(shù)皮灰白色，淺縱裂，枝條髓部片狀，幼枝先端具細柔毛（2年生枝常無(wú)毛）。也有高達20-25米，樹(shù)干較別的種類(lèi)矮，樹(shù)冠廣闊。樹(shù)皮幼時(shí)灰綠色，老時(shí)則灰白色而縱向淺裂。小枝無(wú)毛，具有光澤，被盾狀著(zhù)生的腺體，灰綠色，后來(lái)帶褐色。
羽狀復葉長(cháng)25～50厘米，小葉5～9個(gè)，稀有13個(gè)。橢圓狀卵形至橢圓形，頂生小葉通常較大，長(cháng)5～15厘米，寬3～6厘米，先端急尖或漸尖，基部圓或楔形，有時(shí)為心臟形。全緣或有不明顯鈍齒，表面深綠色，無(wú)毛，背面僅脈腋有微毛，小葉柄極短或無(wú)，有些外殼堅硬，有些比較軟。
奇數羽狀復葉長(cháng)25-30厘米，葉柄及葉軸幼時(shí)被有極短腺毛及腺體小葉通常5-9枚，稀3枚，橢圓狀卵形至長(cháng)橢圓形，長(cháng)約6-15厘米，寬約3-6厘米，頂端鈍圓或急尖、短漸尖，基部歪斜、近于圓形，邊緣全緣或在幼樹(shù)上者具稀疏細鋸齒，上面深綠色，無(wú)毛，下面淡綠色，側脈11-15對，腋內具簇短柔毛，側生小葉具極短的小葉柄或近無(wú)柄，生于下端者較小，頂生小葉常具長(cháng)約3-6厘米的小葉柄。
雄柔荑花序長(cháng)5～10厘米，雄花有雄蕊6～30個(gè)，萼3裂，雌花1～3朵聚生，花柱2裂，赤紅色。
花期5月，雄性葇荑花序下垂，長(cháng)約5-10厘米、稀達15厘米。雄花的苞片、小苞片及花被片均被腺毛。雄蕊6-30枚，花藥黃色，無(wú)毛。雌性穗狀花序通常具1-3（-4）雌花。雌花的總苞被極短腺毛，柱頭淺綠色。
果實(shí)橢圓形，直徑約5厘米，灰綠色。幼時(shí)具腺毛，老時(shí)無(wú)毛，內部堅果球形，黃褐色，表面有不規則槽紋。
果序短，杞俯垂，具1-3果實(shí)；果實(shí)近于球狀，直徑4-6厘米，無(wú)毛。果核稍具皺曲，有2條縱棱，頂端具短尖頭。隔膜較薄，內里無(wú)空隙，內果皮壁內具不規則的空隙或無(wú)空隙而僅具皺曲。核桃殼是內果皮，外果皮和內果皮在未成熟是為青色，成熟后脫落。新核桃種皮甚苦。
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