树皮灰白色到黑褐色，幼树树皮光滑，老树有不规则浅纵裂。枝条粗壮、光滑，嫩枝初生时呈绿色，早春也可略呈红色，停长后变为亮灰色或灰褐色，呈白色皮孔。一年生枝髓部较大，木质部松软，以后随年龄的增加，髓部逐渐变小。叶为奇数羽状复叶，互生，长30~40厘米，复叶柄为圆形，基部肥大有腺点，脱落后叶痕大，呈三角形。小叶5-9片，长圆形、倒卵形或广椭圆形，具短柄，先端突尖，叶缘全缘或具锯齿。
核桃混合芽多呈圆形，营养芽为三角形，呈鳞片状，着生于顺腋间。雌雄同株异花、异熟，雄花序为柔荑花序，长8-12厘米，花被6裂，每个雄花序的小花数千可多达100朵以上，每休小花有雄蕊12-26枚，花丝极短，花成熟时为杏黄色。雌花1-3朵集生枝顶，花被4裂，柱头2裂，偶有3-4裂，呈羽状反曲，浅绿色或粉红色，子房外面密生细柔毛，一室，下位。果实为术果，圆形或长圆形，径4-5厘米，外果皮溥，表面光滑或具茸毛，绿色，有黄白色斑点；中果皮肉质；内果皮骨质（称为果壳）表面具刻沟或，果壳内有种子一枚，称为种仁，即食用部分，呈脑状，被浅黄色或黄褐色薄种皮，其上有明显或不明显的脉络。

中医上讲，核桃火气大，含油脂多，吃多了会令人上火和恶心，正在上火、腹泻的人不宜吃。
核桃仁有通便作用，但核桃外壳煮水却可腹泻。核桃仁含鞣酸，可与铁剂及钙剂结合降低效。吃核桃仁时应少饮浓茶。
核桃营养丰富，含有丰富的蛋白质、脂肪，矿物质和维生素。每100克中含蛋白质15.4克，脂肪63克，碳水化物10.7克，钙108毫克，磷329毫克，铁3.2毫克，硫素0.32毫克，核黄素0.11毫克，尼克酸1.0毫克。脂肪中含亚油酸多，营养价值较高，此外，还含有丰富的维生素B、E。
核桃含有丰富的维生素B和E，可防止细胞老化，能分健脑、增强及延缓衰老。核桃中还含有特殊的维生素成分，不但不升高胆固醇，还能减少肠道对胆固醇的吸收，适合动脉硬化、高血压和冠心病人食用。
核桃仁含有亚麻油酸及钙、磷、铁，是人体理想的剂，经常食用有润、乌须发，及具有防治头发过早变白和脱落的功能。