จำปีช้างเป็นไม้ต้น สูง ๒๐-๓๕ ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง ๑-๑.๕ ม. เปลือกหนา สีน้ำตาลปนเทา มีช่องอากาศเป็นขีดยาว มีกลิ่นฉุนเฉพาะตัว แตกกิ่งในระดับสูง ทรงพุ่มกลม โปร่ง

 ใบเดี่ยว เรียงเวียน รูปไข่กลับ กว้าง ๑๒-๑๘ ซม. ยาว ๒๐-๒๕ ซม. ปลายมนและมีติ่งแหลมสั้น โคนมนหรือแหลม ขอบเรียบ แผ่นใบหนาและเหนียว สีเขียวเข้มเป็นมัน ใบแก่แข็งและกรอบ เส้นแขนงใบข้างละ ๙-๑๑ เส้น เป็นร่องตื้นทางด้านบนและเป็นสันนูนทางด้านล่าง ปลายเส้นเชื่อมกันก่อนถึงขอบใบ เส้นใบย่อยแบบร่างแห เห็นชัดทั้ง ๒ ด้าน ก้านใบยาว ๓-๔ ซม. หูใบหุ้มยอดอ่อนแต่ไม่เชื่อมติดกับก้านใบ ร่วงง่าย ไม่มีรอยแผลของหูใบบนก้านใบ

 ดอกเดี่ยว ออกตามซอกใบ กลิ่นหอมแรง มีกาบหุ้มดอก ๒-๓ กาบ เกลี้ยง ก้านดอกยาว ๒.๕-๓.๕ ซม. กลีบรวม ๙ กลีบ สีขาว ลักษณะคล้ายกัน เรียงเป็น ๓ ชั้น ชั้นละ ๓ กลีบ แต่ละกลีบอวบหนา รูปไข่กลับถึงรูปช้อนเรียวแคบ กว้าง ๐.๘-๑.๕ ซม. ยาว ๔-๔.๕ ซม. กลีบชั้นนอกเรียวแคบและสั้นกว่าชั้นในเล็กน้อย เกสรเพศผู้จำนวนมาก ยาว ๐.๙-๑.๒ ซม. ก้านชูอับเรณูยาว ๒-๓ มม. อับเรณูยาว ๖-๗ มม. เรียงเป็นวงล้อมรอบโคนแกนฐานดอกรูปทรงกระบอก รังไข่อยู่เหนือวงกลีบมี ๑๑ รังไข่ แยกจากกันเป็นอิสระ เรียงเวียนบนแกนฐานดอกเป็นรูปไข่ สีเหลืองอ่อน ยาว ๑.๖-๒ ซม. แต่ละรังไข่มี ๑ ช่อง มีออวุล ๑-๖ เม็ด ก้านยอดเกสรเพศเมียสั้นมาก ยอดเกสรเพศเมียเป็นสันโค้งเล็กน้อย

 ผลแบบผลกลุ่ม เป็นช่อยาว ๑๕-๒๐ ซม. ก้านช่อผลยาว ๒.๕-๕ ซม. ผลย่อยแบบผลแห้งแตกแนวเดียว มี ๒-๘ ผล ก้านผลย่อยสั้นมาก ผลย่อยรูปทรงกลมหรือทรงรูปไข่ถึงรูปทรงรี กว้าง ๓.๕-๕ ซม.

 จำปีช้างเป็นพรรณไม้ถิ่นเดียวของไทยและเป็นพรรณไม้หายาก มีเขตการกระจายพันธุ์ทางภาคเหนือและภาคตะวันออกเฉียงเหนือ พบขึ้นตามป่าดิบเขา ที่สูงจากระดับทะเล ๑,๒๐๐-๑,๔๐๐ ม. ออกดอกเดือนเมษายนถึงพฤษภาคม ผลแก่เดือนกันยายนถึงตุลาคม

 การระบุชื่อชนิดของจำปีช้างมีความสับสนมา นาน เคยใช้ชื่อ Magnolia lacei (W. W. Sm.) Figlar ซึ่งอยู่ในประเทศจีนและเวียดนาม แต่จากตัวอย่างต้นแบบที่สมบูรณ์มีความแตกต่างอย่างเด่นชัดทั้งลักษณะและขนาดของกลีบดอกชั้นนอกและผล.