厚叶木莲，乔木，高达16米，胸径30厘米，树皮灰黑色；
小枝粗壮，被白粉；
无毛，芽具淡黄色或深褐色长柔毛。
叶厚革质，坚硬，倒卵状椭圆形或倒卵状长圆形，长12-32厘米，宽6-10厘米，先端短急尖，基部楔形，上面深绿色，有光泽，下面浅绿色，两面均无毛，侧脉每边12-14条，两面均不显著，网脉不明显；
叶柄粗壮，长3-5厘米；
基部托叶痕长2-3毫米。
花梗粗壮，径约1厘米，无毛，花被下约5毫米处具1苞片脱落痕；
花芳香，白色，花被片9 (-10)，外轮3片倒卵形，长7-8厘米，宽3-3.5厘米，中轮3片倒卵形，肉质，长5.5-6厘米，内轮的有时4片，倒卵形，基部收狭成爪，肉质，长约5厘米，宽约2.5厘米，最内一片较狭长，长5.5厘米，宽约2厘米；
雄蕊长约1.2厘米，两药室下部靠合，上部稍分离，花药长约1厘米，药隔突出成钝圆头，花丝长约1毫米，雌蕊群卵圆形，长约2.2厘米，径约1.8厘米，雌蕊长5毫米，具1-2毫米长的花柱，胚珠10-12枚，2列。
聚合果椭圆体形，长约7厘米，径约4.5厘米；
蓇葖38-46枚，长2-2.5厘米，背面有凹沟，顶端有短喙；
种子3-4颗，扁球形，径5-6毫米。
花期5月，果期9-10月。
