จำปาหลวงเป็นไม้ต้น ผลัดใบช่วงสั้น ๆ สูง ๒๐-๓๐ ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง ๐.๖-๑ ม. เปลือกหนาสีน้ำตาลปนเทา เกลี้ยง มีช่องอากาศเป็นขีดยาว มีกลิ่นฉุน แตกกิ่งในระดับสูง ทรงพุ่มกลม โปร่ง กิ่งอ่อนเกลี้ยงง่ามกิ่งใหญ่มักเป็นโพรงและฉีกหักง่าย
ใบเดี่ยว เรียงเวียน มีจำนวนมากที่ปลายกิ่ง รูปรีหรือรูปไข่กลับ กว้าง ๕-๑๒ ซม. ยาว ๑๕-๓๕ ซม. ปลายเรียวแหลม โคนรูปลิ่มหรือสอบเรียว ขอบเป็นคลื่น ใบค่อนข้างหนา ด้านบนสีเขียวเข้มเป็นมัน ด้านล่างมีนวลและมีขนประปราย ใบแก่แข็งและกรอบ เส้นแขนงใบข้างละ ๑๐-๑๕ เส้น ปลายเส้นเชื่อมกันห่างขอบใบ เส้นใบย่อยแบบร่างแห เห็นชัดทางด้านล่างก้านใบยาว ๑.๕-๔.๕ ซม. เกลี้ยง โคนก้านป่อง หูใบหุ้มยอดอ่อนและเชื่อมติดกับก้านใบ ๑ ใน ๔ ถึงครึ่งหนึ่งของความยาวก้าน ร่วงง่าย มีรอยแผลรอบข้อและที่ก้านใบชัดเจน
ดอกเดี่ยว ออกตามยอด กลิ่นหอมแรง มีกาบหุ้มดอก ๒-๓ กาบ เกลี้ยง ก้านดอกยาว ๒-๔ ซม. อวบกลีบรวม ๙ กลีบ สีเหลืองอมส้ม ลักษณะคล้ายกัน เรียงเป็น ๓ ชั้น ชั้นละ ๓ กลีบ แต่ละกลีบอวบหนา กลีบชั้นนอกรูปช้อน กว้าง ๒-๔ ซม. ยาว ๕-๘ ซม. กลีบชั้นในทั้ง ๒ ชั้น สั้นกว่าชั้นนอกเล็กน้อย เกสรเพศผู้จำนวนมาก ยาว ๑.๒-๒ ซม. อับเรณูหันเข้าด้านใน เรียงเป็นวงล้อมรอบโคนแกนฐานดอกรูปทรงกระบอก รังไข่อยู่เหนือวงกลีบ มี ๕๐-๗๐ รังไข่ แยกจากกันเป็นอิสระเรียงเวียนบนแกนฐานดอกเป็นรูปทรงกระบอก ยาว ๑.๘-๒.๒ ซม. แต่ละรังไข่มี ๑ ช่อง มีออวุล ๔-๑๒ เม็ด ก้านยอดเกสรเพศเมียสั้นมาก ยอดเกสรเพศเมียค่อนข้างกลม
ผลแบบผลกลุ่ม ก้านช่อผลอวบ ยาว ๒-๔ ซม. มีรอยแผลของกลีบรวมและเกสรเพศผู้เป็นช่วง ยาว ๑-๒ ซม. ผลย่อยแบบผลแห้งแตกแนวเดียว มี ๔๐-๖๐ ผล เชื่อมติดกันเป็นรูปทรงกระบอก กว้าง ๒-๔ ซม. ยาว ๔-๑๓ ซม. มีช่องอากาศเป็นจุดประสีขาว เมื่อแก่แตกด้านนอกเป็นแนวยาว เมล็ดรูปทรงกลมรี ยาว ๔-๖ มม. มี ๒-๑๑ เมล็ด
จำปาหลวงมีเขตการกระจายพันธุ์ในประเทศไทยทางภาคเหนือ ภาคตะวันตกเฉียงใต้ และภาคใต้พบขึ้นตามป่าดิบชื้นและป่าดิบเขา ที่สูงจากระดับทะเล ๖๐๐-๑,๑๐๐ ม. ออกดอกเดือนพฤศจิกายนถึงกุมภาพันธ์ ผลแก่เดือนมีนาคมถึงเมษายน ในต่างประเทศพบที่เมียนมา มาเลเซีย และอินโดนีเซีย.