Ботаническое описание. Тополь чёрный — дерево первой величины, достигающее 30—35 м высоты и 1—2 м в диаметре ствола.

Ботаническая иллюстрация из книги «Köhler’s Medizinal-Pflanzen», 1887

Тополь чёрный — дерево первой величины, достигающее 30—35 м высоты и 1—2 м в диаметре ствола.

Корневая система хорошо разветвлена. Она включает в себя поверхностные и наклонно распространяющиеся корни, от которых отходят глубоко проникающие в почву якорные корни. При заносе самой нижней части ствола песком и илом образуются придаточные корни, формирующие в той или иной мере выраженный второй ярус. Мощная корневая система обеспечивает хороший рост всей массы дерева и вместе с тем придаёт ему высокую устойчивость в период течения паводковых вод и движения льда, а также сильных порывов ветра. Ветровал не характерен для тополя чёрного. Обладает большой способностью образовывать пнёвую поросль.

Ствол одинарный либо развершиненный, более или менее прямой, слабоовальный, у естественных клонов с кривизной. Тип ветвления моноподиальный. У средневозрастных и старых деревьев кора в нижней части ствола толстая — 4—6 см, тёмно-серая, растрескивающаяся, выше по стволу — светло-серая без трещин. Гребни корки прерывающиеся.

Крона чаще широкая или яйцевидная, с толстыми ветвями, особенно в нижней части ствола. Годичные побеги голые, цилиндрические, желтовато-серые, блестящие с беловатыми чечевичками. Порослевые — серовато-зелёные.

Почки многопокровные, почечные чешуи свободные. Терминальные (верхушечные) почки длиной 7—10 (15) мм, удлинённо-овальные, остроконечные, бурые, блестящие, покрытые смолистым налётом, при распускании клейкие и душистые. Боковые почки — мельче, более или менее прижатые, нижние часто с отогнутой верхушкой.

Листья простые, черешковые, цельные, очерёдно расположенные, ежегодно опадающие. Листовые пластинки голые, длиной 4—11 см, шириной 3—9 см, ромбовидные либо овально-треугольные, сверху зелёные, снизу бледнее, с оттянутой верхушкой, реже с коротким заострением, при основании широколиновидные или прямосрезанные. Наибольшая ширина пластинки находится близко от её основания. Отношение длины листовой пластинки к её ширине в среднем равно 1,34. Край листовой пластинки, за исключением основания и оттянутой верхушки, пильчатый (мелкопильчатый, крупнопильчатый, неравнопильчатый), иногда острогородчатый, с железистыми зубцами. Черешки голые, с боков сплюснутые, короче листовой пластинки, при основании пластинок без желёзок.Листовые рубцы сердцевидные. Жилкование листьев перистое. Листовой след трёхпучковый. Эпидерма однослойная. Устьицарасположены на обеих сторонах листовой пластинки, но более многочисленны на нижней стороне. Средняя длина замыкающих клеток около 30 мкм. В одной замыкающей клетке содержится 7—10 (12) хлоропластов. Весьма сильно варьируют величина и форма листьев на удлинённых побегах молодых деревьев и на быстрорастущих корневых отпрысках.

Тополь чёрный — двудомное растение. Цветёт в конце апреля — начале мая, почти одновременно с распусканием листьев. Способопыления — анемофильный (ветроопыление). Соцветия однополые, многоцветковые, висячие серёжки.

Мужские серёжки длиной 6—9 см. Прицветники бурые, обычно голые, 3—5 мм длиной, глубоко надрезанные, бахромчатые. На бледно-зелёном овально-продолговатом диске (торе) 8—30 (45) тычинок с ярко-пурпурными пыльниками. Диаметр окрашенных (набухших) пыльцевых зёрен равен ~28 мкм.

Женские серёжки длиной 5—6 см с 30—40 цветками, сидящими на коротких цветоножках. Завязь до половины или до ²/₃ заключена воколоцветник. После оплодотворения цветков серёжки увеличиваются до 8—11 см. В лабораторных условиях при температуре воздуха 18—22 °C семена созревают через 28—30 дней после опыления цветков, в естественных условиях этот период значительно больше.

Плод — одногнёздная многосемянная сухая двустворчатая коробочка длиной 5—7 мм, толщиной 3—5 мм, содержащая 10—12 семян длиной 2—2,5 мм. Семена снабжены пучком шелковистых волосков, способствующих переносу их ветром.

Диплоидное число хромосом 2n=38^[5].