Дерево высотой 16—48 метров. У старых растений кора серого или тёмно-серого цвета. Молодые побеги имеют желтовато-сероватый или серый окрас.

Почки бурого цвета. Главный стержень листа и нижняя часть листочков войлочно опушенные или голые. Листья имеют 5-9 листочков, длина 10—40 см. Листочки сильно различаются по форме, длиной 4—13 см и шириной 2—8 см, расположены на коротких черешочках или сидячие, форма овальная или продолговатая, верхушка чаще всего вытянутая, края цельные либо с небольшими зубчиками.

Цветки опыляются ветром, однополые. Соцветие — метёлка длиной 5—20 см. Чашечка колокольчатая, с правильными зубчиками, неплотно прижатая к плоду. Тычинок 2.

Завязь верхняя, с двумя гнёздами. Столбик короткий. Рыльце двухлопастное. Плод — крылатка, лопатчатая, постепенно расширяющаяся от основания, продолговато-эллиптической формы, сверху закруглённая или немного заострённая, длиной 3—7 см, шириной 0,5—1,2 см, в нижней половине крылья отсутствуют. Орешек короче крылатки. Цветение происходит в июне. Плодоносит в августе.

Произрастает возле берегов рек и озёр. Ясень пенсильванский — менее декоративное растение, чем ясень обыкновенный, поэтому в городах его высаживают значительно реже. Используется во влажных почвах в северных районах, где ясень обыкновенный не способен выжить из-за морозов. В степной зоне юга России и Украины пенсильванский ясень распространен в посадках гораздо шире обыкновенного ясеня, поскольку более засухоустойчив.

Родина: Сев. Америка.