Arbres géants à feuilles persistantes, avec un tronc unique et droit, recouvert d'une écorce épaisse, profondément sillonnée et fibreuse. Les rameaux sont faiblement différenciés en pousses longues et courtes, toutes deux allongées et recouvertes de feuilles denses ou bien espacées, mais les pousses courtes n'ont qu'une seule année de croissance sans prolongement ultérieur et tombent intactes après plusieurs années en grappes ramifiées. Croissance annuelle se terminant par des bourgeons hivernaux lâches et écailleux. Feuilles disposées en spirale, dont les bases attachées recouvrent les rameaux, de deux types intergradés chez les plantes adultes : feuilles aplaties en forme d'aiguilles et feuilles en écailles. Feuilles en écailles portées aux deux extrémités de chaque accroissement, sur les rameaux dressés et sur les rameaux se terminant par des cônes de graines. Les feuilles en forme d'aiguilles sont les plus longues dans la partie centrale de chaque rameau, se rétrécissant brusquement en pointe à l'extrémité, et leur pétiole est tordu pour amener les aiguilles en une rangée aplatie de chaque côté du rameau.

Les plantes sont monoïques, produisant à la fois du pollen et des cônes de graines sur le même individu. Les cônes de pollen sont petits et terminaux, tandis que les cônes de graines mûrissent et s'ouvrent dès leur première saison, portant de multiples graines aplaties et ailées. Les grains de pollen sont petits et presque sans caractéristiques. Les semis ont généralement deux cotylédons, et le genre se distingue par son nombre de chromosomes de base inhabituellement élevé (x = 33), reflétant une histoire évolutive complexe.

Le bois de séquoia est léger, tendre et cassant, mais exceptionnellement résistant à la pourriture. Il présente une bande étroite d'aubier pâle qui contraste fortement avec le bois de cœur rouge foncé à brun violacé. Les cernes de croissance sont distincts et de largeur variable, comprenant souvent de faux cernes. Il n'y a pas de canaux résinifères, mais des cellules parenchymateuses résineuses sont présentes de manière dispersée, en particulier dans les couches de croissance externes, ce qui contribue à la durabilité du bois.

L'anatomie des feuilles montre des adaptations spécialisées, notamment des stomates enfoncés partiellement entourés de cellules subsidiaires et de multiples canaux résineux dans le limbe. Le tissu photosynthétique forme une couche palissadique irrégulière au-dessus du mésophylle spongieux, ce qui reflète un échange gazeux et une régulation hydrique efficaces. Ces caractéristiques anatomiques favorisent la longévité et la croissance de l'arbre dans les environnements côtiers humides.

Aujourd'hui, Sequoia sempervirens est la seule espèce vivante, originaire de la côte pacifique du sud-ouest des États-Unis et largement cultivée ailleurs. Autrefois classé dans la famille des Taxodiaceae, le séquoia fait désormais partie d'une famille élargie, les Cupressaceae, étroitement apparentée aux Sequoiadendron et Metasequoia. Les fossiles montrent que les séquoias étaient répandus dans tout l'hémisphère nord au Tertiaire, bien que de nombreux fossiles autrefois attribués au Sequoia soient aujourd'hui reclassés dans des genres apparentés.