常绿乔木，树高达25米，胸径60厘米。树皮坚硬、粗糙，棕灰色到深灰色，纵状开裂，鳞片纵状剥落。小枝具明显菱角，幼枝生长从有软毛到灰白色到光洁无毛，假叶长卵形，有时镰刀形甚至直线形，深绿与浅绿交替变换，大小8-13厘米×0.7-2厘米，叶尖圆，很少锐尖，叶脉明显，3-5条，叶枕长2-4毫米，叶柄腺体小1-10毫米，幼株的二回羽状复叶常持续到第20个节间。

总状花序短生于叶腋，由3-5球状头组成，长约2-5厘米，每个花球包含30-50朵白色到浅黄色的花，果荚扁平、薄状，6-10厘米×0.4-0.6厘米，成熟时棕色，且呈不规则的盘旋和开裂卷曲。种子黑色，卵形、扁平，每果荚直线排列6-8粒种子。珠柄粉红色或红色，双折后半包于种子两侧，假种皮很小。花期随其分布区变化很大，南半球北部地区在晚冬和初春开花，南部则在春末夏初。在澳大利亚夏末秋初种子成熟，2月为成熟盛期，过了4月树上就很少有种子。

总之，相对较宽的假叶，纵状脉，白色花，盘旋或卷曲果荚以及红色珠柄是黑木相思的典型特征。