Der Walnussbaum erreicht eine Höhe von 15 bis 25 Metern und kann in dichteren Baumbeständen sogar bis zu 30 Metern hoch werden. Sein Höhenwachstum endet normalerweise im Alter von etwa 60 bis 80 Jahren, obwohl er ein Alter von bis zu 150 bis 160 Jahren erreichen kann. Der Baum hat ein tief wurzelndes Pfahlwurzelsystem und bildet im Freistand eine ausladende Krone. Wenn er jung ist, ist seine Rinde glatt und aschgrau, entwickelt sich aber im Alter zu einer tiefrissigen, dunkel- bis schwarzgrauen Borke.

Die Familie der Walnussgewächse (Juglandaceae) umfasst acht Gattungen mit etwa 60 Arten, hauptsächlich Bäumen und vereinzelt Sträuchern. Die Echte Walnuss (Juglans regia) gehört zusammen mit über 20 weiteren Arten zur Gattung der Walnüsse (Juglans). Weitere bekannte Vertreter dieser Gattung sind die Schwarznuss (Juglans nigra) und die Butternuss (Juglans cinerea), die aus Nordamerika nach Deutschland eingeführt wurden. Wie auch die verwandten Arten ist die Echte Walnuss genetisch sehr variabel. In Asien wurden schon einige Unterarten beschrieben, die jedoch bisher nicht allgemein anerkannt wurden.

Das Holz des Walnussbaums ist äußerst begehrt und zählt zu den Edelhölzern, dessen Verwendung auf hochwertige Gegenstände beschränkt ist. Es wird in der Regel aus ehemaligen Fruchtbäumen gewonnen, da der gezielte Anbau von Walnussbäumen für die Holzproduktion nur begrenzt vorhanden ist. Die Nussbäume werden nicht wie andere Nutzbaumarten gefällt, sondern mit dem Wurzelstock ausgegraben. Die unteren Stammteile, bekannt als Maserknollen von Walnussbäumen, die oft an Veredelungsstellen durch aufgepfropfte Reiser entstehen, sind die wertvollsten Stammabschnitte zur Herstellung von Furnieren. Sie liefern fein gemaserte, hochwertige Furniere für den Möbelbau und werden zunehmend auch im Interieur von Luxusautomobilen verwendet. Aus Astgabelungen wird ebenfalls Pyramidenfurnier hergestellt. Ein verbreiteter Irrtum besteht darin anzunehmen, dass auch die Wurzeln des Nussbaums solches Maserfurnier liefern. Ihr Holz ist jedoch fast strukturlos, einfarbig hell und daher wenig dekorativ und praktisch wertlos. Dies beruht wohl auf einer Verwechslung der Begriffe Maserfurnier und Wurzelfurnier, die zwei völlig unterschiedliche Holztypen bezeichnen.

Das Walnussbaumholz wird gerne zur Herstellung von Uhrengehäusen, Musikinstrumenten, Parkett, Chorgestühlen in sakralen Gebäuden, Schachfiguren sowie anderen gedrechselten und geschnitzten Gegenständen verwendet. Aufgrund seiner hervorragenden physikalischen Eigenschaften und ästhetischen Merkmale wird Nussbaumholz oft als Ersatz für Tropenholz genutzt. Es ist auch als bevorzugtes Material für Gewehrschäfte bekannt, aufgrund seiner hohen dynamischen Festigkeit und der geringen Neigung zum Splittern gilt es als äußerst geeignet. Diese Verwendung hat in Kriegszeiten erheblich zum Rückgang der Bestände beigetragen.

Das typische Kernholz des Walnussbaums weist einen grauweißen bis rötlichweißen Splint und einen dunkelfarbigen Kern auf, der farblich stark variieren kann – von grau bis dunkelbraun. Die Farbvariationen hängen oft vom Standort ab, insbesondere von Faktoren wie Klima und Bodenbeschaffenheit. Es gibt Unterschiede zwischen verschiedenen Herkünften im Handel. Zum Beispiel hat italienisches Nussholz im Vergleich zu deutschen und schweizerischen Varianten eine rötlichere Färbung und eine lebhaftere Struktur. Früher war das kaukasische Nussbaumholz in Deutschland aufgrund seiner schwarzen Färbung beliebt, während heute eher die Zeichnung und Färbung des französischen Nussholzes geschätzt wird.

Das Holz des Walnussbaums ist halbringporig, wobei das Frühholz mit größeren Gefäßen vom kleingefäßigen Spätholz abgesetzt ist, wenn auch weniger deutlich als bei ringporigem Holz. Das führt bei Tangentialschnitten zu einer dekorativen Fladerung und bei Radialschnitten zu einer Streifung. Oft weist der Kern des Holzes Streifen oder Wolken auf, oder die Faserrichtung weicht von der Stammachse ab. Dadurch entstehen geflammte, geriegelte oder gemaserte Oberflächen, die auf dem Holzmarkt besonders geschätzt werden. Das Nussbaumholz ist feinfaserig, mittelhart und mittelschwer mit einer Rohdichte von etwa 640 kg/m³ (450–750). Es ist zäh und biegsam, aber wenig elastisch. Auch bei Feuchtigkeit bleibt es dauerhaft und lässt sich gut bearbeiten, beizen und polieren. Nach der Lufttrocknung ist es formbeständig, obwohl es im frischen Zustand stark schwindet.

Aufgrund der Knappheit von echtem Nussbaumholz gibt es viele andere Hölzer, die dem Walnussbaumholz ähneln und teilweise unter irreführenden Bezeichnungen wie „Nuss“ oder „Walnuss“ im Handel sind. Diese umfassen: den „Afrikanischen Nussbaum“ oder „African Walnut“ (für Dibétou; Lovoa trichilioides), die „Viola-Nuss“ oder „African Black Walnut“ (für Mansonia; Mansonia altissima), den Jaspis-Nuss (für Mutenye; Guibourtia arnoldiana), die Tanganyika-Nuss (für Aningré Blanc; Pouteria altissima (Syn.: Aningeria altissima)), die „New Guinea Walnut“ (für Paldao; Dracontomelon dao) und die „Satin-Nuss“ (für Sweet Gum).