Es un árbol monoico, caducifolio, que llega a alcanzar hasta 45 m de altura formando una copa ancha y abierta. El tronco es recto y con corteza marrón o casi negra muy surcada. Las hojas, verde amarillentas, se disponen de forma alterna (pueden llegar a medir 0,5 m de longitud) y están formadas por entre 15 y 23 foliolos, cada uno de ellos de forma oval-lanceolada con bordes finamente aserrados.
Las flores masculinas son amentos de 8-10 cm de largo, mientras que las femeninas surgen en racimos de dos a cinco, madurando en otoño hasta formar un fruto drupáceo en trima de envoltura -no derivada del ovario pero del involucro– semi-carnosa marrón verdosa, indehiscente, con una nuez corrugada en su interior.

El fruto es una drupa globosa con una cubierta semicarnosa de color marrón verdoso. Semilla comestible, pero de menor valor culinario que el nogal común.

El nogal negro fue introducido en Europa en 1629 donde se cultiva como ornamental y, en muchas regiones, se realiza su cultivo industrialmente por la alta calidad de su madera: densa, dura y fuerte, empleándose en ebanistería.

Es más resistente a las heladas que su pariente el nogal común juglans regia, pero donde mejor prolifera es en las regiones templadas y de suelos fértiles con altos niveles de pluviosidad.
Aunque las nueces son también comestibles, son más pequeñas y de cáscara extremadamente dura.

Esta especie, como todas las de la familia Juglandaceae, produce una sustancia tóxica o alelopática para otras plantas, la juglona , que interfiere su desarrollo normal, causando el amarilleamiento y marchitamiento del follaje. Esto ha creado la creencia de que nada puede crecer bajo él. Sin embargo, hay muchas variedades de plantas que sí prosperan.
El extracto concentrado de su cáscara se usa como desparasitante en medicina biológica.

Cultivo

Plantaciones de nogal negro se pueden sembrar para producir madera, frutos secos, o ambas madera y frutos secos. Se seleccionaron árboles patentados de tipo madera y creados de la Universidad de Purdue a principios de 1990. Estos árboles han sido cultivados esporádicamente en los viveros. Las variedades incluyen Purdue # 1, que puede ser utilizado tanto para la madera y la producción de nueces, aunque la calidad de la nuez es pobre en comparación con las variedades seleccionadas específicamente como productores de frutos secos.