Дерево высотой 25—35 м (отдельные экземпляры до 60 м) с диаметром ствола до 1 м. Крона удлинённо-яйцевидная, высоко поднятая, широкоокруглая. Ветви толстые, редкие, побеги дугообразно изогнутые и направлены вверх.

У старых растений кора серого или тёмно-серого цвета. Молодые побеги имеют желтовато-сероватый или серый окрас.

Почки бурого цвета. Главный стержень листа и нижняя часть листочков войлочно опушенные или голые. Листья имеют 5-9 листочков, длина 10—40 см. Листочки сильно различаются по форме, длиной 4—13 см и шириной 2—8 см, расположены на коротких черешочках или сидячие, форма овальная или продолговатая, верхушка чаще всего вытянутая, края цельные либо с небольшими зубчиками.

Цветки опыляются ветром, однополые. Соцветие — метёлка длиной 5—20 см. Чашечка колокольчатая, с правильными зубчиками, неплотно прижатая к плоду. Тычинок 2.

Завязь верхняя, с двумя гнёздами. Столбик короткий. Рыльце двухлопастное. Плод — крылатка, лопатчатая, постепенно расширяющаяся от основания, продолговато-эллиптической формы, сверху закруглённая или немного заострённая, длиной 3—7 см, шириной 0,5—1,2 см, в нижней половине крылья отсутствуют.

Светолюбив, устойчив к засухе и временным затоплениям. Используется в озеленении городов во влажных почвах в северных районах, где ясень обыкновенный не способен выжить из-за морозов. Также ясень пенсильванский распространён в посадках гораздо шире ясеня обыкновенного, так как более засухоустойчив. Хорошо переносит городские условия.

Широко используется в озеленении парков, аллей и городских улиц благодаря своей устойчивости и декоративности. Зона морозостойкости: 4