樹皮灰白色到黑褐色，幼樹樹皮光滑，老樹有不規(guī)則淺縱裂。枝條粗壯、光滑，嫩枝初生時呈綠色，早春也可略呈紅色，停長后變?yōu)榱粱疑蚧液稚?，呈白色皮孔。一年生枝髓部較大，木質(zhì)部松軟，以后隨年齡的增加，髓部逐漸變小。葉為奇數(shù)羽狀復葉，互生，長30~40厘米，復葉柄為圓形，基部肥大有腺點，脫落后葉痕大，呈三角形。小葉5-9片，長圓形、倒卵形或廣橢圓形，具短柄，先端突尖，葉緣全緣或具鋸齒。
核桃混合芽多呈圓形，營養(yǎng)芽為三角形，呈鱗片狀，著生于順腋間。雌雄同株異花、異熟，雄花序為柔荑花序，長8-12厘米，花被6裂，每個雄花序的小花數(shù)千可多達100朵以上，每休小花有雄蕊12-26枚，花絲極短，花成熟時為杏黃色。雌花1-3朵集生枝頂，花被4裂，柱頭2裂，偶有3-4裂，呈羽狀反曲，淺綠色或粉紅色，子房外面密生細柔毛，一室，下位。果實為術果，圓形或長圓形，徑4-5厘米，外果皮溥，表面光滑或具茸毛，綠色，有黃白色斑點；中果皮肉質(zhì)；內(nèi)果皮骨質(zhì)（稱為果殼）表面具刻溝或，果殼內(nèi)有種子一枚，稱為種仁，即食用部分，呈腦狀，被淺黃色或黃褐色薄種皮，其上有明顯或不明顯的脈絡。

核桃樹一般高達3—5米，樹皮灰白色，淺縱裂，枝條髓部片狀，幼枝先端具細柔毛（2年生枝常無毛）。也有高達20-25米，樹干較別的種類矮，樹冠廣闊。樹皮幼時灰綠色，老時則灰白色而縱向淺裂。小枝無毛，具有光澤，被盾狀著生的腺體，灰綠色，后來帶褐色。
核桃羽狀復葉長25～50厘米，小葉5～9個，稀有13個。橢圓狀卵形至橢圓形，頂生小葉通常較大，長5～15厘米，寬3～6厘米，先端急尖或漸尖，基部圓或楔形，有時為心臟形。全緣或有不明顯鈍齒，表面深綠色，無毛，背面僅脈腋有毛，小葉柄極短或無，有些外殼堅硬，有些比較軟。
核桃奇數(shù)羽狀復葉長25-30厘米，葉柄及葉軸幼時被有極短腺毛及腺體小葉通常5-9枚，稀3枚，橢圓狀卵形至長橢圓形，長約6-15厘米，寬約3-6厘米，頂端鈍圓或急尖、短漸尖，基部歪斜、近于圓形，邊緣全緣或在幼樹上者具稀疏細鋸齒，上面深綠色，無毛，下面淡綠色，側脈11-15對，腋內(nèi)具簇短柔毛，側生小葉具極短的小葉柄或近無柄，生于下端者較小，頂生小葉常具長約3-6厘米的小葉柄。