Двудомное листопадное дерево, достигающее 25—28 м в высоту и до 90—120 см в диаметре ствола. Крона в лесу высоко поднята, на просторе — шатровая, низкопосаженная.

Кора пепельно-серая, очень декоративная, у молодых деревьев часто с серебристым оттенком, двухслойная: наружный слой — бархатистый, состоит из слоя пробки, толщина которого у крупных деревьев может превышать 5 см, внутренний — ярко-жёлтый, лубяной, резко отграниченный от коричневато-бурого ядра и имеющий специфический запах (присущий также растёртым листьям и плодам). Молодыепобеги покрыты гладкой серой корой.

Листья непарноперистосложные, черешковые, очерёдные, в верхней части супротивные, напоминают по форме листья ясеня, но с более узкими пластинками и с характерным запахом. Листочки ланцетные, по краю мелкогородчатые, с неприятным запахом. Листья распускаются позднее, чем у других листопадных пород, — в конце мая и даже в июне. Осенью зелёные листья постепенно приобретают яркую жёлтую окраску, порой — с оранжево-медным отливом.

Дерево амурского бархата начинает цвести на 18—20-й год жизни. Цветёт в июне — начале июля, около 10 дней. Цветки мелкие (до 0,8 см в диаметре), невзрачные, желтовато-зелёные, правильные, пятичленные, однополые, собраны в метельчатые кисти, длиной до 12 см. Опыление производится насекомыми.

Плоды созревают в сентябре и представляют собой шаровидные чёрные, слегка блестящие костянки, обычно с пятью косточками, несъедобные, с резким специфическим запахом, до 1 см в диаметре. Плодоношение ежегодное. Дерево даёт до 10 кг плодов.