毛白杨为大乔木，树高达25米。树皮灰白色，老时深灰色，纵裂；幼枝有灰色绒毛，老枝平滑无毛，芽稍有绒毛。叶互生；长枝上的叶片三角状卵形，长10-15厘米，宽8-12厘米，先端尖，基部平截或近心形，具大腺体2枚，边缘有复锯齿，上面深绿色，疏有柔毛，下面有灰白色绒毛，叶柄圆，长2.5～5.5厘米；老枝上的叶片较小，边缘具波状齿，渐无毛；在短枝上的叶更小，卵形或三角形，有波齿，背面无毛。柔荑花序，雌雄异株，先叶开放；雄花序长约10～14厘米；苞片卵圆形，尖裂，具长柔毛；雄蕊8；雌花序长4～7厘米；子房椭圆形，柱头2裂。蒴果长卵形，2裂。花期3月。果期4月。