常绿乔木或大型灌木，来自巴布亚新几内亚的厚荚相思树高可达20米，在特殊适生立地可达30米，但来自昆士兰的厚荚相思很少超过15米。树皮暗灰褐色，坚硬，具直裂深沟，内树皮红色、纤维状。叶状柄光滑、灰绿色，弧形，长11-22厘米，宽1-4厘米，纵脉3-7条呈黄色。叶状柄着生在棱状小枝上，枝上具鳞状附着物。
穗状花序淡黄色，长4-7厘米，宽2-6厘米；荚果暗褐色，木质，扁平，长5-8厘米，宽2-4厘米，具不明显斜脉。种子黑色，椭圆形，具灰白色珠柄，有光泽。厚荚相思始花年龄迟于大叶相思，在中国海南3年生开花结实，在中国大陆4-5年开花。一般10-11月开花，种子翌年6月成熟。
