樹皮灰白色到黑褐色，幼樹樹皮光滑，老樹有不規則淺縱裂。枝條粗壯、光滑，嫩枝初生時呈綠色，早春也可略呈紅色，停長后變為亮灰色或灰褐色，呈白色皮孔。一年生枝髓部較大，木質部松軟，以后隨年齡的增加，髓部逐漸變小。葉為奇數羽狀復葉，互生，長30~40厘米，復葉柄為圓形，基部肥大有腺點，脫落后葉痕大，呈三角形。小葉5-9片，長圓形、倒卵形或廣橢圓形，具短柄，先端突尖，葉緣全緣或具鋸齒。
核桃混合芽多呈圓形，營養芽為三角形，呈鱗片狀，著生于順腋間。雌雄同株異花、異熟，雄花序為柔荑花序，長8-12厘米，花被6裂，每個雄花序的小花數千可多達100朵以上，每休小花有雄蕊12-26枚，花絲極短，花成熟時為杏黃色。雌花1-3朵集生枝頂，花被4裂，柱頭2裂，偶有3-4裂，呈羽狀反曲，淺綠色或粉紅色，子房外面密生細柔毛，一室，下位。果實為術果，圓形或長圓形，徑4-5厘米，外果皮溥，表面光滑或具茸毛，綠色，有黃白色斑點；中果皮肉質；內果皮骨質（稱為果殼）表面具刻溝或，果殼內有種子一枚，稱為種仁，即食用部分，呈腦狀，被淺黃色或黃褐色薄種皮，其上有明顯或不明顯的脈絡。

此外，食用時為保存營養也不宜剝掉核桃仁表面的褐色薄皮。多食會引起腹瀉。痰火喘咳、陰虛火旺、便溏腹瀉的病人不宜食。
核桃在用來當做把玩之物的同時，還通過民間藝人的雕刻，成為備受玩家青睞的藝術珍品，藝人們就是在小小的核桃上雕刻出各種動物、人物的形象、圖案，寄托美好的寓意，表達人們對未來的期盼和向往。在中國古代人們把桃木稱作“仙木”，是用途為廣泛的驅邪制鬼材料。桃木所以具有這等神力，根植于古人認定桃樹為百鬼所懼的神秘觀念。由此“核桃”也被賦予了這樣的神秘魔力，人們手中時常把握具有神秘力量的核桃，就能吉祥、免災。明代的核雕早的核材都是桃核，明代以后到了清乾隆年間才出現了用橄欖核和核桃雕刻的花船和人物等核雕（例如廣為人們熟知的《核舟記》）。明代的麻核桃雕刻大多是神仙人物、避邪神獸、吉祥物等等。