Arbres géants à feuilles persistantes, avec une écorce épaisse, profondément sillonnée et fibreuse recouvrant le tronc massif. La couronne est cylindrique à légèrement bombée, composée d’un nombre relativement restreint de branches massives, généralement recourbées en forme de coude, chaque branche pouvant atteindre la taille d’un arbre adulte de nombreuses autres espèces de conifères. Les rameaux sont peu différenciés en pousses longues et courtes et sont densément recouverts de feuilles. Des grappes ramifiées de pousses courtes sont portées par une charpente de pousses longues permanentes à allongement internodal légèrement plus important ; elles tombent intactes après plusieurs années. Il n’existe pas de bourgeons hivernaux bien définis. Les feuilles sont disposées en spirale dense, de forme aciculaire à écailleuse ; chez les jeunes arbres, l’extrémité libre est étalée et plus longue que la base attachée, mais elle se réduit progressivement et devient appliquée vers l’avant à maturité.

L’espèce est monoïque. Les cônes polliniques sont sessiles et terminaux sur les pousses courtes, avec des écailles polliniques disposées en spirale portant des grains de pollen de taille petite à moyenne. Les cônes de graines terminent également les pousses courtes, mais mûrissent au cours de leur deuxième année, demeurant ligneux et persistants pendant plusieurs années. Chaque cône porte de nombreuses écailles ovulifères soudées, chacune produisant plusieurs graines aplaties et ailées. Les plantules possèdent généralement trois ou quatre cotylédons, et le nombre chromosomique de base est x = 11.

Le bois est léger, faible et cassant, mais remarquablement résistant à la pourriture. Une bande extrêmement étroite d’aubier pâle contraste fortement avec le bois de cœur rouge à brun foncé, qui peut comprendre plusieurs centaines de cernes de croissance. Les cernes sont bien distincts, avec un grain fin et régulier ; les canaux résinifères sont absents, mais des cellules parenchymateuses riches en résine sont dispersées principalement dans le bois initial, contribuant à la grande durabilité du matériau.

L’anatomie foliaire reflète des adaptations à une très longue durée de vie et à une taille exceptionnelle. Les stomates sont enfoncés et disposés en bandes étroites sur les deux faces de la feuille. En coupe transversale, les feuilles présentent une nervure centrale unique située au-dessus d’un petit canal résineux, flanquée de tissu de transfusion, ainsi qu’une couche palissadique faiblement différenciée entourant l’intérieur du limbe, accompagnée seulement d’un hypoderme mince et discontinu.

Une seule espèce, Sequoiadendron giganteum, est présente à l’état naturel en Californie. Longtemps associé au genre Sequoia, il a été formellement séparé en tant que genre distinct en 1939, une décision aujourd’hui largement acceptée et étayée par des données morphologiques, chromosomiques et moléculaires, qui montrent sa parenté étroite avec Sequoia et Metasequoia. Les fossiles suggèrent une origine remontant au Crétacé dans l’hémisphère Nord, tandis que le séquoia géant actuel est cultivé depuis la fin du XIXᵉ siècle, avec relativement peu de cultivars horticoles sélectionnés.