落叶乔木，高达20米，胸径达1米；小枝黄绿转黄褐色，无毛，或被细毛，疏生皮孔。叶纸质，倒卵形或椭圆状倒卵形，长7.5-14（18）厘米，宽4-8厘米，先端圆钝，具短急尖，很少微缺，2/3以下渐狭；基部楔形，通常歪斜，上面绿色，有光泽，仅沿中脉被细柔毛，后脱落无毛，下面淡绿色，脉腋及中脉两侧常残留白色长柔毛；侧脉每边8-10条，常带红色，干后网脉两面明显凸起；叶柄细，长1-3厘米，基部具短的托叶痕。

花芳香，花先叶开放，单生枝顶，花被片近相似，狭长圆状匙形，花被片外为淡紫红色，内则近白色；花梗长1.5-2.5厘米，花梗粗0.4-0.6厘米，节上被长柔毛，花蕾期花芽具有白色绒毛的黑色芽鳞片，花被片展开后芽鳞片脱落；花着生平展或稍俯垂，花被片9-12，3-4轮，外轮花被片长9.0-9.8厘米，宽4.2-4.7厘米；内一轮花被片长9.9-10.7厘米，宽4.1-4.6厘米；内二轮花被片长7.2-7.8厘米，宽3.9-4.2厘米；内三轮花被片长3.0-3.3厘米，宽2.2-2.6厘米；雌蕊群与雄蕊群相连接，无雌蕊群柄，雄蕊紫红色，螺旋状排列，112-133枚，单枚雄蕊长1.74-1.91厘米；雌蕊群为淡绿色圆柱形，长2.3-2.6厘米，宽0.4-0.6厘米，心皮数95-120不等。

光叶玉兰果实为聚合蓇荚果，圆柱形，长7-21厘米，果实成熟后开裂露出红色种子。结实好的果实最重可达到69.66克，结实差的果实最轻的则只有19.36克。一般一心皮两粒种子，少一心皮一粒种子。聚合果的中下部部分心皮不育使得聚合果弯曲。种子扁圆或不规则三角形，外种皮红棕色有光泽，内种皮黑褐色坚硬，种胚乳白色。种子长9.34-11.91毫米，宽7.29-11.97毫米、厚5.12-6.86毫米，种子千粒重314.587克。