Средняя высота 18–35 метров. Ширина до 15 метров, к старости сильно разрастается вширь. Продолжительность жизни 200–300 лет. Крона чаще широкая или яйцевидная, с толстыми ветвями, особенно в нижней части ствола. Ствол цилиндрический, обычно развит очень сильно, довольно неровный и закрученный, чаще всего немного утончающийся или сдавленный, уже на небольшой высоте разделяется на несколько сильных и массивных ветвей, которые дугообразно и круто поднимаются вверх. Ствол достигает 1–2 метра в диаметре. Кора в нижней части пепельно-серая, у старых деревьев — тёмно-серая, почти чёрная, толстая, растрескивающаяся; выше по стволу — светло-серая без трещин.

Побеги жёлтые, реже красновато-жёлтые, голые, блестящие с беловатыми чечевичками, большей частью цилиндрические или возле почек слабо ребристые и утолщённые. Крона чаще широкая или яйцевидная, с толстыми ветвями, особенно в нижней части ствола. Листья очередные, блестящие, треугольные или ромбические, пильчатые по краю, длиной 4–11 сантиметров, шириной 3–9 сантиметров, верхушка заострённая, основание широкое и клиновидное, сверху тёмно-зелёные, снизу более светлые.

Цветки мелкие, однополые. Мужские серёжки — красно-бурые, висячие, длиной 6–10 сантиметров; женские серёжки — желтовато-зелёные, рыльца розовые, до 12 сантиметров длиной. Цветение в марте-апреле (до распускания листьев). Плоды яйцевидные, зеленовато-бурые коробочки, раскрываются 2–4 створками и освобождают 10–12 мелких семян с шелковистыми волосками возле основания. Созревают в мае-июне. 

Морозостойкость высокая, может выдерживать температуру до -30 °C. Солнцелюбивое растение, но может расти в полутени. Любит влажные места, хорошо переносит длительное затопление. Тополь черный пригоден для одиночных, групповых и аллейных посадок.

Растение, купленное в контейнере, можно посадить в течение всего тёплого сезона. При групповых посадках сохраняйте расстояние между саженцами 3–4 метра. Выкопайте посадочную яму в полтора раза больше земляного кома. На дне ямки разместите дренажный слой из битого кирпича, щебня или керамзита 15–20 сантиметров.

Разместите саженец по центру посадочной ямы и засыпьте заранее подготовленной грунтовой смесью (листовая и дерновая земля, торф, и песок в соотношении 2:2:1:1). Сразу после посадки полейте дерево, 40–50 литров воды будет достаточно. Для лучшей приживаемости внесите удобрение 100–150 г нитроаммофоски и корневин 10 грамм на 10 литров. После посадки замульчируйте приствольный круг.

Достаточным считается 2–3 полива в течение месяца, в период засухи делать это необходимо чаще.

Удобряйте землю вокруг дерева азотным удобрением.