Es un árbol monoico, caducifolio, que llega a alcanzar hasta 45 m de altura formando una copa ancha y abierta. El tronco es recto y con corteza marrón o casi negra muy surcada. Las hojas, verde amarillentas, se disponen de forma alterna (pueden llegar a medir 0,5 m de longitud) y están formadas por entre 15 y 23 foliolos, cada uno de ellos de forma oval-lanceolada con bordes finamente aserrados.
Las flores masculinas son amentos de 8-10 cm de largo, mientras que las femeninas surgen en racimos de dos a cinco, madurando en otoño hasta formar un fruto drupáceo en trima de envoltura -no derivada del ovario pero del involucro- semi-carnosa marrón verdosa, indehiscente, con una nuez corrugada en su interior.
La madera del Nogal americano es muy apreciada por su color oscuro. Es pesado y fuerte, pero de fácil división y trabajo. Madera de nogal se ha utilizado históricamente para culatas, muebles, pisos, remos, ataúdes, y una variedad de otros productos de madera. Debido a su valor, los funcionarios forestales a menudo son llamados a rastrear a los cazadores furtivos de nogal; en 2004, se utilizó la prueba de ADN para resolver uno de esos casos de caza furtiva, la participación de 16 m de árboles vale US $ 2.500. Nogal negro tiene una densidad de 660 kg por metro cúbico, que hace que sea menos denso que el roble.