水曲柳是木犀科，梣属落叶大乔木，高可达30米，树皮厚，灰褐色，冬芽大，圆锥形，小枝粗壮，四棱形，叶痕节状隆起，半圆形。羽状复叶；叶柄近基部膨大，叶着生处具关节，纸质，叶片长圆形至卵状长圆形，叶缘具细锯齿，上面暗绿色，下面黄绿色，圆锥花序生于上年生枝上，先叶开放，花序梗与分枝具窄翅状锐棱；雄花与两性花异株，均无花冠也无花萼；雄花序紧密，花梗细短，花药椭圆形，花丝甚短，子房扁而宽，翅果大而扁，4月开花，8—9月结果。

水曲柳在内蒙古分布于通辽市大青山国家级自然保护区，在大青沟沟底的冲积滩地和沟下部土壤肥沃、排水良好的环境中形成小片水曲柳林，已处于濒危状态，与胡桃楸、黄菠萝并称为中国东北珍贵的“三大硬阔树种”，本种在研究第三纪植物区系和第四纪冰川期气候等方面具有科学意义。水曲柳已被列入中国《国家二级保护植物名录》。