桃花心木是常绿大乔木，高达25米以上，径可达4米，基部扩大成板根；树皮淡红色，鳞片状；枝条广展，平滑，灰色。叶长35厘米，有小叶4-6对，叶柄细长，基部略膨大，无毛；小叶片革质，斜披针形至斜卵状披针形，长10-16厘米，宽4-6厘米，先端长渐尖，基部明显偏斜，一侧楔形，另一侧近圆形，全缘或有时具1-2个浅波状钝齿，无毛而光亮，叶面深绿色，背面淡绿色，侧脉每边约10条，稍广展。
圆锥花序腋生，长6-15厘米，无毛，具柄，有疏离而短的分枝；花具短柄，长约3毫米；萼浅杯状，5裂，裂片短，圆形；花瓣白色，无毛，长3-4毫米，广展；雄蕊管无毛，裂齿短尖；子房圆锥状卵形，比花盘长，每室有胚珠12颗，花柱无毛，较子房为长，柱头盘状，5出，放射状。
蒴果大，卵状，木质，直径约8厘米，熟时5瓣裂；种子多数，长18毫米，连翅长7厘米。花期5-6月，果期10-11月。
