千头椿树木高达25m左右，为落叶乔木，树冠阔卵形。树皮灰褐色，浅纵裂。小枝密被茸短茸毛。奇数羽状复叶，互生，小叶3～7枚，通常5枚，椭圆形至卵形，叶缘有锯齿，背面有短柔毛。花单性，雌雄异株，圆锥花序生于2年生枝上，无花瓣，花萼4~5齿裂。翅果倒卵形至椭圆形，长2～3cm，果较翅长或与翅等长，翅梢下延至中部。
整体形态如臭椿。是臭椿一个雄株变种，树形伞状、倒三角形至圆头形。千头椿与臭椿的区别有三点：一是枝干直立生长，分枝角度一般较小，枝干细而密集，无明显主干。二是树冠紧凑，树势挺拔，幼龄期冠形球状，成龄期扁圆状，同龄期苗的冠形整齐，一直性强。而臭椿主干明显、分枝开张、枝条粗而稀疏、树冠松散而无规则。三是千头椿的叶形略小，腺齿不明显，而且多为雄株，往往只见开花不见翅果。
