百山祖冷杉，乔木，高约11米，胸径40厘米；
树皮灰白色，不规则龟裂，裂块纵向大于横向，裂隙较深；
大枝平展，枝皮不规则浅裂；
小枝对生，稀三枝轮生，基部围有宿存芽鳞，主干及直立枝上的小枝交叉对生，一年生枝淡黄色或黄灰色，无毛或凹槽中有疏毛；
冬芽卵圆形，有树脂，生于枝顶，三个排成一平面，中间之芽常较两侧之芽为大，稀在小枝节间上面（即背地面）生有一芽、其后发育成直立枝，芽鳞淡黄褐色，三角状卵形，背面中上部具钝纵脊。
叶条形，在侧枝上排列成二列状，或枝条下面之叶排列成两列，上面之叶斜展至直伸，其长度由下面两侧至上面中央递减，长1-4.2（通常为1.5-3.5)厘米，宽2.5-3.5毫米，先端有凹缺，下面有两条白色气孔带；
横切面有2个边生树脂道或生于两侧端的叶肉薄壁组织内，上面至下面两端及下面中部有一层连续排列的皮下层细胞；
幼枝之叶在枝上常呈两列，先端呈二尖裂。
雌球花圆柱形，长3-3.5厘米，径约8毫米，苞鳞上部向后反曲。
球果通常每一枝节之间着生1-3个，圆柱形，长7-12厘米，径3.5-4厘米，成熟前绿色至淡黄绿色，熟后淡褐黄色或淡褐色；
中部种鳞扇状四边形，稀近肾状四边形，长1.8-2.4厘米，宽2.5-3厘米，先端近全缘或有极细之细齿，两侧边缘有不规则锯齿，基部楔形、两侧耳状；
苞鳞稍短于种鳞或几相等长，上部近圆形，宽7-8毫米，边缘有细齿，先端露出、反曲，尖头短，长1毫米以内，中部收缩或窄缩呈条状，宽3.5-4毫米；
种子倒三角状，具与种子等长而宽大的膜质种翅，翅端平截。
花期5月，球果11月成熟。
