球果下垂,近四棱状球形或矩圆状球形,成熟前绿色,熟时深褐色,长1.8-2.5厘米,径1.6-2.5厘米,梗长2-4厘米,其上有交对生的条形叶; 种鳞木质,盾形,通常11-12对,交叉对生,鳞顶扁菱形,中央有一条横槽,基部楔形,高7-9毫米,能育种鳞有5-9粒种子;种子扁平,倒卵形,间或圆形或矩圆形,周围有翅,先端有凹缺,长约5毫米,径4毫米;子叶2枚,条形,长1.1-1.3厘米,宽1.5-2毫米,两面中脉微隆起,上面有气孔线,下面无气孔线;初生叶条形,交叉对生,长1-1.8厘米,下面有气孔线。花期2月下旬,球果11月成熟。
喜气候温暖湿润,夏季凉爽,冬季有雪而不严寒,并且产地年平均温度在13℃,极端低温-8℃,极端高温24℃左右,无霜期230天;年降水量1500毫米,年平均相对湿度82%。土壤为酸性山地黄壤、紫色土或冲积土,pH值4.5~5.5。多生于山谷或山麓附近地势平缓、土层深厚、湿润或稍有积水的地方,耐寒性强,耐水湿能力强,在轻盐碱地可以生长为喜光性树种,根系发达,生长的快慢常受土壤水分的支配,在长期积水排水不良的地方生长缓慢,树干基部通常膨大和有纵棱。喜光,不耐贫瘠和干旱,净化空气,生长快,移栽容易成活。适应温度为零下8度~24度。
分布于湖北、重庆、湖南三省交界的利川、石柱、龙山三县的局部地区,垂直分布一般为海拔750~1500米。稀有种。水杉是世界上的孑遗植物。远在中生代白垩纪,地球上已出现水杉类植物,并广泛分布于北半球。冰期以后,这类植物几乎全部绝迹。