Arbres à feuilles persistantes avec un ou plusieurs troncs droits et minces (par recépage naturel) recouverts d'une écorce unique formée entièrement de bosses densément serrées. Les branches d'origine sont disposées en étages distincts, d'abord dressées, puis s'aplatissant et arquées avec l'âge. Les branches produisent un cône de pollen ou de graines après plusieurs années de croissance et tombent ensuite, remplacées par de nouvelles branches émergeant irrégulièrement du tronc. Les bourgeons dormants sont recouverts de manière lâche par de courtes feuilles en forme d'aiguilles, mais sans écailles spécialisées. Les feuilles sont opposées ou presque, en forme d'aiguilles, larges et plates, sans nervure centrale et avec de nombreuses nervures parallèles ; leur base s'étend sur la tige sans pétiole et reste attachée jusqu'à la chute de la branche. Les feuilles juvéniles forment deux rangées horizontales, proportionnellement plus longues, plus étroites et plus pointues que les feuilles adultes. Les feuilles adultes sont disposées en quatre rangées : deux rangées horizontales et deux rangées formant une auge en V au-dessus, chaque paire de feuilles contribuant à une feuille dans la rangée horizontale et à une autre dans la rangée opposée de l'auge.

L'espèce est monoïque. Les cônes polliniques sont solitaires et pendent aux extrémités des branches inférieures, grands et cylindriques, avec des centaines d'écailles polliniques en forme de bouclier, chacune portant quatre à neuf sacs polliniques. Les cônes de graines se développent sur les branches supérieures sur 3 à 6 ans, mûrissent en 2 à 3 ans et se brisent à maturité pour libérer des graines solitaires ailées attachées près de l'extrémité de chaque écaille. Chaque graine possède deux cotylédons avec six à huit nervures, et le nombre de chromosomes de base est x = 13.

Le bois est tendre, de poids moyen, inodore et quelque peu brillant, avec un grain fin et régulier et des cernes de croissance subtils. Il n’y a ni canaux résinifères ni cellules parenchymateuses, et l’aubier se fond progressivement dans le bois de cœur brun clair. L’anatomie des feuilles montre une palissade bien développée de deux à trois couches cellulaires, des cellules hypodermiques associées et un mésophylle spongieux contenant des cellules compartimentées spécialisées pour le stockage des substances. Les stomates sont enfoncés et disposés de manière irrégulière, sans anneaux de Florin, et les nervures sont parallèles au tissu de transfusion situé en dessous.

Wollemia nobilis est endémique du sud-est de l’Australie, avec seulement deux peuplements connus dans le parc national de Wollemi. Ces arbres sont presque clonaux et hautement homozygotes, ce qui limite la variation génétique naturelle et les perspectives de sélection de cultivars. La propagation mondiale se fait désormais principalement par plantules clonales issues de culture tissulaire, après des efforts intensifs de conservation menés par le Royal Botanic Garden de Sydney. Sur le plan phylogénétique, Wollemia est plus proche d’Araucaria que d’Agathis, et certaines caractéristiques pourraient représenter des traits ancestraux de la famille des Araucariaceae.

Les fossiles montrent que Wollemia est l’un des plus anciens genres de conifères vivants, avec des traces datant du Crétacé moyen (95–125 millions d’années). Des fossiles de feuillage, cônes et graines ont été trouvés dans l’est de l’Australie, avec des cônes apparentés en Nouvelle-Zélande et du pollen fossile en Antarctique. Le genre était répandu pendant le Paléocène et l’Éocène moyen, et a persisté en Australie jusqu’à il y a environ 2 millions d’années en Tasmanie. Sa découverte en 1994–1995 a suscité un engouement international, soulignant son importance évolutive et sa survie remarquable.