Le bouleau noir est un arbre au port ovoïde qui vieillissant acquiert une cime arrondie et se ramifiant à environ 4 ou 6m du sol. Le tronc est recouvert sur les jeunes sujets d'une écorce lisse et blanche crémeux, alors que sur les arbres plus agés celle-ci est rose saumon ou brun pâle, s'exfoliant et se fissurant donnant un aspect décoratif original à cet arbre.
Le feuillage est caduc. Les feuilles mesurent de 5 à 8cm de long, sont ovoïdes, dentées avec la face supérieure du limbe vert brillant et la face inférieure vert mat. En automne elles prennent des teintes de jaune d'or.
La floraison est monoïque et printanière. Les fleurs mâle sont de couleur brun jaunâtre et sont sous la forme de chatons pendants, alors que les femelles sont en chatons cylindriques, érigés au départ puis pendants. Elles sont de couleur brunâtre et donne naissance à des amas de graines ailées.