Крупное дерево до 25 м высотой. Толстый ствол покрыт серой корой, ветви образуют обширную крону диаметром около 20 м.
Очерёдные листья сложные, непарноперистые, состоящие из двух или пяти пар удлинённо-яйцевидных листочков; они бывают от 40 до 70 мм длиной, распускаются одновременно с цветками.
Цветки раздельнополые, мелкие, зеленоватые, растения однодомные. Тычиночные цветки состоят из шестилопастного околоцветника и 12-18 тычинок, собраны висячими серёжками; пестичные цветки сидячие, расположены на верхушке однолетних ветвей, одиночно или группами по два-три, имеют двойной околоцветник, сросшийся с завязью. Орех грецкий относится к ветроопыляемым растениям.
Плоды — крупные костянковидные орехи — имеют толстую кожисто-волокнистую зелёную кожуру (околоплодник) и крепкую яйцевидную или шаровидную косточку с двумя-пятью неполными перегородками; при наступлении зрелости кожура плода, высыхая, лопается на две части и сама собой отделяется, косточка сама собой не раскрывается. Внутри деревянистой скорлупы заключено съедобное ядро.
Цветёт обычно в мае одновременно с распусканием листьев. Изредка повторно цветёт в июне. Плоды созревают в сентябре-октябре, сильно различаются по размерам, форме, вкусу, твёрдости скорлупы, развитости перегородок, химическому составу и другим показателям. Вес одного ореха — 5-17 г, на ядро приходится 40-58 %.
Возобновляется семенным и вегетативным путём. В первый же год жизни сеянцы образуют мощный стержневой корень, достигающий к пяти годам 1,5 м, а к 20 годам — 3,5 м. С трёх-пяти лет развиваются горизонтальные корни, большая часть их располагается на глубине 20-50 см. Отлично возобновляется пнёвой порослью, порослевые растения растут быстрее, чем сеянцы. Растения семенного происхождения образуют единичные мужские соцветия с семи-восьми лет, начинают плодоносить с 10-12 лет. Полное плодоношение наступает лишь с 30-40 лет. Порослевые растения образуют первые плоды на второй год жизни, а с 10-12 лет дают уже значительный урожай. В благоприятных условиях отдельные деревья живут до 300—400 лет, сохраняя способность плодоносить[3].