樟子松是乔木，高达25米，胸径达80厘米；大树树皮厚，树干下部灰褐色或黑褐色，深裂成不规则的鳞状块片脱落，上部树皮及枝皮黄色至褐黄色，内侧金黄色，裂成薄片脱落；枝斜展或平展，幼树树冠尖塔形，老则呈圆顶或平顶，树冠稀疏；一年生枝淡黄褐色，无毛，二、三年生长呈灰褐色；冬芽褐色或淡黄褐色，长卵圆形，有树脂。
针叶2针一束，硬直，常扭曲，长4-9厘米，很少达12厘米，径1.5-2毫米，先端尖，边缘有细锯齿，两面均有气孔线；横切面半圆形，微扁，皮下层细胞单层，维管束鞘呈横茧状，二维管束距离较远，树脂道6-11个，边生；叶鞘基部宿存，黑褐色。  
雄球花圆柱状卵圆形，长5-10毫米，聚生新枝下部，长约3-6厘米；雌球花有短梗，淡紫褐色，当年生小球果长约1厘米，下垂。
球果卵圆形或长卵圆形，长3-6厘米，径2-3厘米，成熟前绿色，熟时淡褐灰色，熟后开始脱落；中部种鳞的鳞盾多呈斜方形，纵脊横脊显著，肥厚隆起，多反曲，鳞脐呈瘤状突起，有易脱落的短刺。  
种子黑褐色，长卵圆形或倒卵圆形，微扁，长4.5-5.5毫米，连翅长1.1-1.5厘米；子叶6-7枚，长1.3-2.4厘米；初生叶条形，长1.8-2.4厘米，上面有凹槽，边缘有较密的细锯齿，叶面上亦有疏生齿毛。花期5-6月，球果第二年9-10月成熟。

樟子松的雌球花、球果种鳞的形状、小枝的色泽以及针叶的质地与欧洲赤松都相似，惟老树树干下部的树皮较厚，深纵裂，灰褐色或黑褐色，上部树皮黄色至褐黄色，裂成薄块片脱落；针叶长短变异颇大，最长可达12厘米，径1.5-2毫米，冬芽淡褐黄色等形态特征与欧洲赤松不同。樟子松的树形因生长环境不同而有所不同：生于大兴安岭山区的树木树冠成尖塔形，树干端直高大；生于海拉尔以西与以南砂丘地区的树木，则树冠平顶，树干较短。这两种类型是否需要划分，有待进一步研究。