水杉是乔木，高达35米，胸径达2.5米；树干基部常膨大；树皮灰色、灰褐色或暗灰色，幼树裂成薄片脱落，大树裂成长条状脱落，内皮淡紫褐色；枝斜展，小枝下垂，幼树树冠尖塔形，老树树冠广圆形，枝叶稀疏；一年生枝光滑无毛，幼时绿色，后渐变成淡褐色，二、三年生枝淡褐灰色或褐灰色；侧生小枝排成羽状，长4-15厘米，冬季凋落；主枝上的冬芽卵圆形或椭圆形，顶端钝，长约4毫米，径3毫米，芽鳞宽卵形，先端圆或钝，长宽几相等，约2-2.5毫米，边缘薄而色浅，背面有纵脊。叶条形，长0.8-3.5（常1.3-2）厘米，宽1-2.5（常1.5-2）毫米，上面淡绿色，下面色较淡，沿中脉有两条较边带稍宽的淡黄色气孔带，每带有4-8条气孔线，叶在侧生小枝上列成二列，羽状，冬季与枝一同脱落。

球果下垂，近四棱状球形或矩圆状球形，成熟前绿色，熟时深褐色，长1.8-2.5厘米，径1.6-2.5厘米，梗长2-4厘米，其上有交对生的条形叶；种鳞木质，盾形，通常11-12对，交叉对生，鳞顶扁菱形，中央有一条横槽，基部楔形，高7-9毫米，能育种鳞有5-9粒种子；种子扁平，倒卵形，间或圆形或矩圆形，周围有翅，先端有凹缺，长约5毫米，径4毫米；子叶2枚，条形，长1.1-1.3厘米，宽1.5-2毫米，两面中脉微隆起，上面有气孔线，下面无气孔线；初生叶条形，交叉对生，长1-1.8厘米，下面有气孔线。花期2月下旬，球果11月成熟。