Черный орех - это быстро растущее дерево высотой около 30 м, иногда достигает 50 м. Кора - с глубокими продольными бороздами, крона неправильно круглая, побеги сначала покрыты бледными или ржавыми волосками, с круглыми почками. Листья перистые, длиной от 30 до 60 см (больше обычного грецкого ореха), состоит из 13-23 листьев (больше, чем обычный грецкий орех), длиной около 8 см и шириной около 3 см, неправильно зубчатые и с волосками на нижней стороне. Это - однодомный вид. Мужские цветки имеют вид бахромы длиной от 8 до 10 см. Женские цветки появляются в кистевидных соцветиях из 2-5 скученными цветками. Плоды имеют зеленую внешнюю оболочку, которая осенью чернеет, а сердцевина расположена внутри темно-коричневых продольно бороздчатых, чрезвычайно твердых чешуек.

Черный грецкий орех богат белком, полезными жирами, витаминами и минералами. Важными соединениями для здоровья человека являются жирные кислоты омега-3, дубильные вещества и элаговая кислота. Сердцевина плодов содержит большое количество органически связанного йода, а также магний, кальций, селен, железо, натрий, фосфор, хлор, витамины А, В1, В2, В6 и С и биофлавоноиды. Зеленая оболочка содержит ряд активных веществ, важнейшими из которых являются юглон, танин и йод. Больше всего юглон содержится в зеленой оболочке плодов, а также в листьях, коре и корни. Интересно, что черные грецкие орехи содержат на 75% больше белка, чем обычные грецкие. Доля углеводов низкая, и большинство из них поступает из клетчатки.