Arbres à feuilles caduques, à écorce lisse, fine et fibreuse, qui s’écaille en longues bandes sur un tronc fortement effilé, avec une base évasée et profondément cannelée. Branches nombreuses, inclinées vers le haut pour former une couronne conique, qui s’élargit et s’aplatit avec l’âge. Le système de pousses est différencié en longues pousses permanentes et en pousses courtes caduques, qui tombent avec leurs feuilles à l’automne, les deux types étant produits en paires opposées. Les feuilles sont disposées en paires alternées, initialement à angle droit les unes par rapport aux autres, mais finissent par se trouver dans un même plan de chaque côté du rameau grâce à la torsion des pétioles et de l’axe des pousses, alternativement vers la gauche et vers la droite. Le limbe des feuilles est en forme d’aiguille, généralement linéaire et plat, de texture douce, se rétrécissant brusquement vers le pétiole court, avec une extrémité arrondie et une face supérieure vert vif.

L’espèce est monoïque, avec des cônes polliniques portés individuellement sur des pousses reproductrices ramifiées et pendantes, chacune produisant de petits grains de pollen sphériques aplatis. Les cônes de graines sont en forme de pomme, se développant sur de courtes pousses reproductrices, avec 8 à 14 paires d’écailles fertiles et bractées fusionnées, chacune contenant 5 à 9 graines ailées. Les graines possèdent deux cotylédons.

Le bois de Metasequoia est léger, tendre et à grain grossier, avec un aubier pâle contrastant avec un bois de cœur brun rougeâtre. L’espèce ne possède pas de canaux résinifères, mais présente des cellules parenchymateuses résineuses dispersées. Les feuilles présentent des stomates enfoncés avec des anneaux de Florin épais, une nervure médiane au-dessus d’un canal résinifère et un mésophylle spongieux homogène, sans couche palissadique distincte. Ces caractéristiques rapprochent le genre à la fois des cyprès et des séquoias, tandis que son port caduc le rapproche du Taxodium.

Historiquement, Metasequoia était répandu dans tout l’hémisphère nord à la fin du Crétacé et du Tertiaire, atteignant les latitudes arctiques élevées grâce à son feuillage caduc. Les fossiles montrent des variations dans la disposition et la morphologie des feuilles, mais aujourd’hui, une seule espèce vivante de Metasequoia survit en Chine centrale. Introduit en culture au XXᵉ siècle, il reste un vestige vivant d’un genre autrefois dominant, étroitement apparenté à Sequoia et Sequoiadendron.