Чорний горіх - це швидко зростаюче дерево висотою близько 30 м, іноді досягає 50 м. Кора - з глибокими поздовжніми борознами, крона неправильно кругла, пагони спочатку покриті блідими або іржавими волосками, з круглими бруньками. Листя пір'ясте, довжиною від 30 до 60 см (більше звичайного волоського горіха), складається з 13-23 листків (більше, ніж звичайний волоський горіх), довжиною близько 8 см і шириною близько 3 см, неправильно зубчасті і з волосками на нижній стороні. Це - однодомний вид. Чоловічі квітки мають вигляд бахроми довжиною від 8 до 10 см. Жіночі квіти з’являються в гроноподібних суцвіттях з 2–5 скупченими квітками. Плоди мають зелену зовнішню оболонку, яка восени чорніє, а серцевина розташована всередині темно-коричневих поздовжньо борознистих, надзвичайно твердих лусочок.

Чорний волоський горіх багатий білком, корисними жирами, вітамінами та мінералами. Важливими сполуками для здоров’я людини є жирні кислоти омега-3, дубильні речовини та елагова кислота. Серцевина плодів містить велику кількість органічно зв’язаного йоду, а також магній, кальцій, селен, залізо, натрій, фосфор, хлор, вітаміни А, В1, В2, В6 і С та біофлавоноїди. Зелена оболонка містить ряд активних речовин, найважливішими з яких є юглон, танін та йод. Найбільше юглона міститься в зеленій оболонці плодів, а також в листі, корі та корені. Цікаво, що чорні волоські горіхи містять на 75% більше білка, ніж звичайні волоські. Частка вуглеводів низька, і більшість з них надходить з клітковини.