水杉是高35米，DBH2.5米的樹。樹干基部常膨大；樹皮為灰色、灰褐色或深灰色，幼樹分裂成薄片脫落，大樹分裂成條狀脫落，內皮為淺紫褐色；枝條斜展，小枝下垂，幼樹樹冠形狀陡峭，老樹樹冠寬大圓潤，枝葉稀疏；一年生枝條光滑無毛，幼時綠色，后逐漸變?yōu)闇\褐色，一年生枝條則為淺棕灰色或褐灰色；側枝呈羽狀排列，長4-15厘米，冬季枯萎；主枝上的冬芽呈橢圓形或卵形，頂端鈍，長約4毫米，直徑3毫米。芽鱗寬卵形，頂端圓形或鈍，長寬相等，約2-2.5毫米，邊緣薄，顏色淺，背面有縱向脊。葉子呈條狀，長0.8-3.5(通常為1.3-2)厘米，寬1-2.5(通常為1.5-2)毫米。上表面為淺綠色，下表面為淺綠色。中脈有兩條淡黃色的氣孔帶，每條帶4-8條氣孔線。葉子在側枝上排成兩排，羽狀，冬天和枝條一起脫落。

球果下垂，近四邊形球形或長方形球形，成熟前綠色，成熟時暗褐色，長1.8-2.5厘米，直徑1.6-2.5厘米，長2-4厘米，上面有對生的條狀葉片；種子鱗片木質，盾狀，通常11-12對，交叉對生，鱗片頂端扁平菱形，中央有橫槽，基部楔形，高7-9mm，繁殖鱗片中有5-9粒種子；種子扁平，倒卵形，有時圓形或長圓形，四周有翅，頂端有切口，長約5毫米，直徑4毫米；子葉2，長條形，長1.1-1.3厘米，寬1.5-2毫米，兩側中脈略凸起，上面有氣孔線，下面無氣孔線；初生葉條狀，對生，長1-1.8厘米，下面有氣孔線?；ㄆ?月下旬，11月球果成熟。