Магнолия крупноцветковая – вечнозеленое дерево, которое достигает в высоту до 30 м. Имеет толстый, прямой ствол диаметром до 1,5 м. Густо облиствленная крона имеет широкопирамидальную форму. Кора магнолии серого или светло-бурого цвета, толщиной 1 – 2 см.
Листья магнолии имеют продолговатую, обратнояйцевидную или узкоэллиптическую форму, заострённые, с цельным краем и клиновидным основанием, гладкие, кожистые, крупные, длиной 12 – 25 см, шириной 4 – 12 см, сверху голые, тёмно-зелёные, снизу бурые, рыжеватые, коротко опушённые, иногда голые. Черешки длиной 2,5 – 5 см, ржавоопушённые.
Цветки единичные, верхушечные, крупные, до 30 см в диаметре, молочно-белые или бежевые, имеют сильный одуряющий запах. Листочков околоцветника 6, иногда 9 или 12, яйцевидных или овальных, длиной 7,5 – 10 см, шириной 2 – 5 см. После оцветания каждый из многочисленных пестиков превращается в листовку, тесно прирастающую брюшным швом к удлинённой оси цветка. Формула цветка магнолии крупноцветковой - *Ч3Л∞Т∞П∞.
Плоды представляют собой шишкообразные, яйцевидные или эллипсоидальные ржавоопушённые многолистовки длиной 7,5 – 10 мм. Семена блестящие, эллипсоидальные или треугольные, от 2 до 6 в каждом плодике, с красной мясистой семенной кожурой, при созревании повисают на длинных семяножках (проводящий пучок), служат пищей для птиц.
Цветение происходит с мая по сентябрь, единичными цветками – с октября по ноябрь. Плодоношение магнолии – с октября по ноябрь.