ตะเคียนสามเส้นเป็นไม้ต้น สูงได้ถึง ๓๐ ม. มีรากค้ำ เปลือกเรียบหรือแตกเป็นร่องตื้น ๆ ตามยาว เปลือกในมีชันสีขาวขุ่น กิ่งอ่อนมีขนสั้นนุ่มและเกล็ดรูปโล่สีน้ำตาลแดง กิ่งแก่เกลี้ยง

 ใบเดี่ยว เรียงเวียน รูปไข่ถึงรูปใบหอกแกมรูปไข่กว้าง ๒.๕-๔ ซม. ยาว ๕-๘ ซม. ปลายยาวคล้ายหาง โคนรูปลิ่มถึงมน ขอบเรียบ แผ่นใบบาง เกลี้ยงทั้ง ๒ ด้าน ด้านบนสีเขียวเข้มเป็นมันเงา ด้านล่างสีเขียวอ่อน เส้นกลางใบนูนทั้ง ๒ ด้าน เส้นแขนงใบแบบเส้นใบแซม เส้นแขนงใบหลักข้างละ ๙-๑๐ เส้น มีเส้นแขนงใบระหว่างเส้นใบหลัก มีตุ่มใบเป็นขนตามซอกเส้นแขนงใบช่วงล่าง เส้นใบย่อยแบบร่างแห ก้านใบยาว ๐.๖-๑ ซม. เกลี้ยงหรือมีขนประปราย หูใบหุ้มยอดอ่อนรูปขอบขนาน กว้างประมาณ ๑ มม. ยาวประมาณ ๒.๕ มม. มีขนสั้นนุ่ม ใบแก่เปลี่ยนเป็นสีเหลืองก่อนร่วง

 ช่อดอกแบบช่อแยกแขนง ออกตามซอกใบและปลายกิ่ง ตั้งขึ้น ยาว ๒.๕-๓ ซม. มีขนสั้นนุ่ม ดอกเรียงสลับด้านเดียว ๕-๗ ดอก มีกลิ่นหอมอ่อน ๆ ใบประดับและใบประดับย่อยขนาดเล็ก ร่วงง่าย ดอกตูมรูปขอบขนานแกมรูปไข่ กว้างประมาณ ๒ มม. ยาวประมาณ ๔ มม. ก้านดอกยาว ๑.๕-๒ มม. ดอกสีขาวหรือสีขาวอมเหลือง กลีบเลี้ยง ๕ กลีบ สีเขียวอ่อน เรียงซ้อนเหลื่อม รูปกลม กว้างและยาวประมาณ ๑.๒ มม. กลีบนอก ๒ กลีบ กว้างและยาวกว่า ๓ กลีบใน ด้านนอกมีขนปกคลุม กลีบดอก ๕ กลีบ รูปขอบขนานแกมรูปเคียว กว้างประมาณ ๒ มม. ยาวประมาณ ๕ มม. เกสรเพศผู้ ๑๕ เกสร เรียงเป็น ๒ วง ก้านชูอับเรณูแผ่ขยายช่วงโคน ปลายแกนอับเรณูมีรยางค์ยาวประมาณ ๒ เท่าของอับเรณู อับเรณูรูปทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ ๐.๒ มม. ติดที่ฐาน แตกตามยาว รังไข่อยู่เหนือวงกลีบ ทรงรูปไข่ มี ๓ ช่อง แต่ละช่องมักมีออวุล ๒ เม็ด ก้านยอดเกสรเพศเมียเรียวยาว ยาวประมาณ ๐.๘ มม. ครึ่งล่างมีขนแข็งยอดเกสรเพศเมียขนาดเล็ก

 ผลแบบผลเปลือกแข็ง ทรงรูปไข่กว้าง กว้าง ๕-๗ มม. ยาว ๐.๗-๑ ซม. ปลายมีติ่งแหลม ยาวประมาณ ๑.๕ มม. ก้านผลยาว ๑.๕-๒ มม. กลีบเลี้ยงติดทนขยายเป็นปีก ๕ ปีก ปีกยาว ๒ ปีก รูปใบพาย กว้าง ๐.๕-๑.๕ ซม. ยาว ๓.๕-๖ ซม. ปีกสั้น ๓ ปีก รูปไข่ ยาว ๐.๘-๑ ซม.

 ตะเคียนสามเส้นมีเขตการกระจายพันธุ์ในประเทศไทยทางภาคใต้ พบตามป่าดิบชื้น ที่สูงจากระดับทะเลปานกลาง ๑๕๐-๖๐๐ ม. ออกดอกเดือนเมษายน เป็นผลเดือนกรกฎาคมถึงตุลาคม ในต่างประเทศพบที่คาบสมุทร มาเลเซีย สุมาตรา และบอร์เนียว.