Крупное дерево до 25 м высотой. Толстый ствол покрыт серой корой, ветви образуют обширную крону диаметром около 20 м.

Очерёдные листья сложные, непарноперистые, состоящие из двух или пяти пар удлинённо-яйцевидных листочков; они бывают от 40 до 70 мм длиной, распускаются одновременно с цветками.

Цветки раздельнополые, мелкие, зеленоватые, растения однодомные. Орех грецкий относится к ветроопыляемым растениям.

Плоды — крупные костянковидные орехи — имеют толстую кожисто-волокнистую зелёную кожуру (околоплодник) и крепкую яйцевидную или шаровидную косточку с двумя—пятью неполными перегородками; при наступлении зрелости кожура плода, высыхая, лопается на две части и сама собой отделяется, косточка сама собой не раскрывается. Внутри деревянистой скорлупы заключено съедобное ядро.

Цветёт обычно в мае, одновременно с распусканием листьев. Изредка повторно цветёт в июне. Плоды созревают в сентябре — октябре, сильно различаются по размерам, форме, вкусу, твёрдости скорлупы, развитости перегородок, химическому составу и другим показателям. Вес одного ореха — 5—17 г, на ядро приходится 40—58 %.

Растения семенного происхождения образуют единичные мужские соцветия с семи—восьми лет, начинают плодоносить с 10—12 лет. Полное плодоношение наступает лишь с 30—40 лет. Порослевые растения образуют первые плоды на второй год жизни, а с 10—12 лет дают уже значительный урожай. В благоприятных условиях отдельные деревья живут до 300—400 лет, сохраняя способность плодоносить.

В листьях содержатся хиноны, дубильные вещества, эфирное масло (до 0,03 %).

Семена (ядра, «орехи»), обладающие замечательным вкусом и высокой питательностью и повсюду в изобилии употребляемые в пищу в натуральном виде, идут на приготовление различных блюд, халвы, конфет, тортов, пирожных и других сладостей. Ядро грецкого ореха содержит (в %): жиров 45—77, белков 8—21; витамин B₁, провитамин А.

Грецкий орех — эффективное средство для восстановления мужской потенции. Есть множество рецептов связанных с грецкими орехами. Одним из наиболее полезных для мужчин рецептов являются грецкие орехи с мёдом.

Срок хранения орехов — не более года, очищеных — не более шести месяцев при соблюдении условий хранения.

Листья издавна применялись как ранозаживляющее и витаминное средство. Листья содержат горькие и ароматические вещества, испарения которых причиняют некоторым головную боль. Они употребляются в Закавказье для одурения рыбы (форели) в горных речках.

С 2011 года заготовка древесины в России запрещена.

Родина: Балканы, Малая и Центр. Азия, до Японии.