巨大な常緑樹で、太く深く溝の入った繊維質の樹皮が巨大な幹を覆う。樹冠は円筒形から狭いドーム状で、比較的少数の太い枝から構成され、枝は典型的に肘状の屈曲を伴って上向きに伸びる。個々の枝は、他の多くの針葉樹における成熟個体全体に匹敵する大きさに達する。小枝は長枝と短枝の分化が不明瞭で、葉が密生する。永久的な長枝の骨格上に分枝した短枝の房が形成され、節間伸長はやや大きく、これらの短枝群は数年後にまとまったまま脱落する。明確な冬芽は形成されない。葉は密に螺旋状に配列し、錐形から鱗片状である。若木では自由先端部が広がり、付着基部より長いが、成熟に伴って次第に縮小し、前方へ密着するようになる。

本種は雌雄同株である。花粉錐は無柄で短枝の頂部に形成され、螺旋状に配列した花粉鱗片が小～中型の花粉粒を生じる。種子錐も短枝の頂部に形成されるが、成熟は翌年で、木質化したまま数年間残存する。各錐には多数の融合した種鱗片があり、それぞれが複数の扁平で翼をもつ種子を形成する。実生は通常3～4枚の子葉をもち、基本染色体数は x = 11 である。

木材は軽く、強度は低く脆いが、腐朽に対して極めて高い耐性を示す。非常に狭い帯状の淡色の辺材は、赤色から暗褐色の心材と鮮明な対照をなす。心材には数百年分の年輪が含まれることがある。年輪は明瞭で、木理はきわめて細かく均一である。樹脂管は存在しないが、散在する樹脂を含む柔細胞が主に早材中に分布し、木材の耐久性に寄与している。

葉の解剖構造は、長寿命および巨大な樹体への適応を反映している。気孔は陥没し、葉の両面に細い帯状に配列する。横断面では、単一の中脈が小さな樹脂管の上方に位置し、その両側に輸液組織が配置される。葉肉は内部を取り囲むように未分化な柵状組織層を形成し、補強的な薄く不連続な下皮層を伴う。

カリフォルニア州に自生するのは Sequoiadendron giganteum のみである。本種は長らく Sequoia 属と関連付けられてきたが、1939年に独立した属として正式に分離された。この判断は現在では広く受け入れられており、形態学的・染色体学的・分子系統学的証拠によって Sequoia 属および Metasequoia 属との近縁関係が支持されている。化石記録は白亜紀における北半球起源を示唆する一方、現生のジャイアントセコイアは19世紀後半以降に栽培されてきたが、選抜された園芸品種は比較的少ない。