日本丁香是一种落叶小乔木，而不是一种灌木。可达12米高，很少超过15米的高度，树干直径可达30厘米(很少达40厘米)，是丁香类最大的物种，小枝近圆柱形或带四棱形，具皮孔。冬芽被芽鳞，顶芽常缺。
叶对生，椭圆形，宽1-8厘米、长2.5-15厘米，并有稍凹陷脉的粗糙质感，单叶，全缘；具叶柄。
花两性，大型圆锥花序，长5-30厘米、宽3-20厘米，顶生或侧生，白色或乳白色，花序始产生于夏季。与叶同时抽生或叶后抽生；具花梗或无花梗；花萼小，钟状，具4齿或为不规则齿裂，或近截形，宿存；花冠漏斗状、带有管状基长4-6毫米的花冠，裂片4枚，开展或近直立，花蕾时呈镊合状排列；雄蕊2枚，着生于花冠管喉部至花冠管中部，内藏或伸出；子房2室，每室具下垂胚珠2枚，花柱丝状，短于雄蕊，柱头2裂。
果为蒴果，微扁，2室，室间开裂；种子扁平，有翅，长15-25毫米；子叶卵形，扁平；胚根向上。染色体基数x=23，或22、24。
