Regia, es un árbol caducifolio, de copa bastante ancha, forma globular y abombada. Alcanza hasta más de 25 m de altura. El tronco se ramifica a escasa distancia del suelo en numerosas ramas bastante fuertes arqueadas hacia arriba y experimentan, a su vez, ramificaciones en ramas numerosas más pequeñas con apariencia retorcida y curvada. En la juventud, la corteza es lisa y gris, mientras que en la adultez se vuelve estriada y surcada, marrón a gris claro. Brotes glabros brillantes y yemas rechonchas, muy anchas, marrones oscuras o casi negruzcas. Las hojas del nogal son opuestas, pinnadas, longitud de 20 a 45 cm; 5 a 9 pares de folíolos (generalmente 7) de hasta 15 cm de diámetro, elíptico lanceolados, peciolados; siendo los folíolos del ápice los mayores mientras que los demás presentan decrecimiento en su tamaño hacia la base y por lo general son glabros y brillantes, enteros o sólo nítidamente dentados.

Es una especie monoica, es decir, presenta sobre la misma planta flores masculinas separadas de las femeninas; se encuentran presentes yemas de madera, de flores masculinas y mixtas.

El fruto del nogal está definido botánicamente como una drupa indehiscente, aunque existe dehiscencia parcial según se trate de algunas variedades. En él se pueden reconocer claramente 3 partes:
a- la exterior, carnosa, que es el pericarpio - llamado vulgarmente capote- originado a partir del involucro que rodea la flor pistilada.
b- la interior lignificada y compuesta por 2 valvas selladas que es el endocarpio - vulgarmente denominado nuez- originado por el ovario desarrollado luego de la fecundación.
c- dentro de la nuez se encuentra la semilla, que es la parte comestible de este frutal, que tiene su origen en el óvulo fertilizado.

De la planta brotan flores tanto femeninas como masculinas. Las flores femeninas aparecen agrupadas en racimos entre las ramas del mismo año; brotan de entre dos a cinco florecillas pequeñas de un color carmín particular, mientras que las flores masculinas brotan en las ramas de todo el año, formando racimos colgantes de entre 5-10 cm de un color púrpura verdoso.