白玉兰是落叶乔木，高达25米，径粗可达200厘米，树冠幼时狭卵形，成熟大树则呈宽卵形或松散广卵形。幼时树皮灰白色，平滑少裂，老时则呈深灰色，粗糙开裂。小枝灰褐色。顶芽与花梗密被灰黄色长娟毛。分枝习性随树龄幼长有别，幼时单芽延伸，故主干明显，树冠规整，而见花后，叶枝混合芽在果穗后双杈或多枝延伸，横向发展盛于直干生长，故树冠往广卵形方向发展。
叶片单叶互生，有时呈螺旋状，宽倒卵形至倒卵形，长10～18厘米，宽6～12厘米，先端圆宽，平截或微凹，具短突尖，故又称凸头玉兰；中部以下渐狭楔形，全缘。玉兰叶在基部通常有托叶或附属物，托叶有两种，枝端芽末的托叶贴生于幼茎上与叶柄分离，呈覆瓦状；叶部托叶散生，瓦刀状，粘着叶柄基部两侧，芽伸叶长，托叶脱落，幼枝上残存环状托叶痕，此为木兰科树种的识别特征。
花顶生，前一年秋季形成花芽，先花后叶；花具香气，碧白色，有时基部带红晕，花被片共9枚，花瓣状萼片3枚，花瓣6枚，雌雄蕊多数。
玉兰花白如玉，花香似兰，其树型魁伟，高者可超过10米，树冠卵形，大型叶为倒卵形，先端短而突尖，基部楔形，表面有光泽，全市两摔条疏生开展，嫩枝及芽外被短绒毛。冬芽具大形鳞片。花先叶开放，顶生、朵大，直径12～15厘米。花被9片，钟状。