水杉是喬木，高達35米，胸徑達2.5米；樹干基部常膨大；樹皮灰色、灰褐色或暗灰色，幼樹裂成薄片脫落，大樹裂成長條狀脫落，內皮淡紫褐色；枝斜展，小枝下垂，幼樹樹冠尖塔形，老樹樹冠廣圓形，枝葉稀疏；一年生枝光滑無毛，幼時綠色，后漸變成淡褐色，二、三年生枝淡褐灰色或褐灰色；側生小枝排成羽狀，長4-15厘米，冬季凋落；主枝上的冬芽卵圓形或橢圓形，鈍，長約4毫米，徑3毫米，芽鱗寬卵形，先端圓或鈍，長寬幾相等，約2-2.5毫米，邊緣薄而色淺，背面有縱脊。葉條形，長0.8-3.5（常1.3-2）厘米，寬1-2.5（常1.5-2）毫米，上面淡綠色，下面色較淡，沿中脈有兩條較邊帶稍寬的淡黃色氣孔帶，每帶有4-8條氣孔線，葉在側生小枝上列成二列，羽狀，冬季與枝一同脫落。

球果下垂，近四棱狀球形或矩圓狀球形，成熟前綠色，熟時深褐色，長1.8-2.5厘米，徑1.6-2.5厘米，梗長2-4厘米，其上有交對生的條形葉; 種鱗木質，盾形，通常11-12對，交叉對生，鱗頂扁菱形，中央有一條橫槽，基部楔形，高7-9毫米，能育種鱗有5-9粒種子；種子扁平，倒卵形，間或圓形或矩圓形，周圍有翅，先端有凹缺，長約5毫米，徑4毫米；子葉2枚，條形，長1.1-1.3厘米，寬1.5-2毫米，兩面中脈微隆起，上面有氣孔線，下面無氣孔線；初生葉條形，交叉對生，長1-1.8厘米，下面有氣孔線。花期2月下旬，球果11月成熟。
分布于湖北、重慶、湖南三省交界的利川、石柱、龍山三縣的局部地區，垂直分布一般為海拔750~1500米。稀有種。水杉是世界上的孑遺植物。遠在中生代白堊紀，地球上已出現水杉類植物，并廣泛分布于北半球。冰期以后，這類植物幾乎全部絕跡。
在歐洲、北美、和東亞，從晚白堊至新世的地層中均發現過水杉化石，二十世紀四十年代中國的植物學家在湖北、四川交界的謀道溪（磨刀溪）發現了幸存的水杉巨樹，樹齡約400余年。后在湖北利川縣水杉壩與小河發現了殘存的水杉林，胸徑在20厘米以上的有5000多株，還在溝谷與農田里找到了數量較多的樹干和伐兜。隨后，又相繼在四川石柱縣冷水與湖南龍山縣珞塔、塔泥湖發現了200~300年以上的大樹。
水杉天然更新弱，應特別注意保護幼苗，促進其生長，避免殘存的水杉林被其它樹種所更替。全國許多地區都已引種，尤以東南各省和華中各地栽培多。亞洲、非洲、歐洲、美洲、拉丁美洲等50多個國家和地區已引種栽培。
球果成熟后即采種，經過曝曬，篩出種子，干藏。春季3月份播種。畝播種量0.75~1.5kg，采用條播（行距20~25cm）或撒播，播后覆草不宜過厚，需經常保持土壤濕潤。在5月下旬至6月上旬進行。選擇半木質化嫩枝作插穗，長14~18cm，保留頂梢及上部4~5片羽葉，插入土中4~6cm，每畝插7萬~8萬株。插后遮陰，每天噴霧3~5次。9月下旬后可撤去陰棚。圃地經常保持濕潤通風，可促進插穗早日生根。苗期注意防治立枯病和莖腐病。
為充分利用林中空地，提高土地利用率，改善土壤結構，增強土壤肥力，造林1~2年內可適當套種豆類作物或綠肥，為不影響樹苗生長，套種作物要與樹苗保持30~40cm的距離。通過對作物的中耕除草堯施肥，既可起到以耕代撫的作用，又可增加收益，達到以短養長的目的。
水杉邊材白色，心材褐紅色，材質輕軟，紋理直，結構稍粗，早晚材硬度區別大，不耐水濕。可供建筑、板料、造紙、制器具、造模型及室內裝飾。水杉是“活化石”樹種，是秋葉觀賞樹種。在園林中適于列植，也可叢植、片植，可用于堤岸、湖濱、池畔、庭院等綠化，也可盆栽，也可成片栽植營造風景林，并適配常綠地被植物；還可栽于建筑物前或用作行道樹。水杉對二氧化硫有一定的抵抗能力，是工礦區綠化的優良樹種。