水曲柳是一種落葉大喬木，高度可達30米以上，胸徑可達2米。它的樹皮厚且灰褐色，縱裂。冬芽大而圓錐形，小枝粗壯，呈四棱形，節膨大，光滑無毛。葉痕節狀隆起，葉片呈長圓形至卵狀長圓形，長5至20厘米，寬2至5厘米，先端漸尖或尾尖，基部楔形至鈍圓，稍歪斜，葉緣具細鋸齒。葉片上面呈暗綠色，下面黃綠色，沿脈被黃色曲柔毛覆蓋。圓錐花序生於去年生枝上，先於葉片開放，雄花與兩性花異株，均無花冠也無花萼。雄花序緊密，花梗細短，花葯橢圓形，花絲甚短。兩性花序稍鬆散，子房扁而寬，花柱短，柱頭2裂。翅果大而扁，長圓形至倒卵狀披針形，花期在4月，果期在8至9月。