Alberi decidui con corteccia liscia, sottile e fibrosa che si stacca in lunghe strisce su un tronco fortemente affusolato, con base svasata e profondamente scanalata. Rami numerosi, inclinati verso l’alto, formano una chioma conica che si allarga e si appiattisce con l’età. Il sistema di germogli è differenziato in germogli lunghi permanenti e germogli corti decidui, che cadono insieme alle foglie in autunno; entrambi i tipi sono prodotti in coppie opposte. Le foglie sono disposte in coppie alternate, inizialmente ad angolo retto tra loro, ma finiscono per giacere su un unico piano su entrambi i lati del ramoscello grazie alla torsione dei piccioli e dell’asse del germoglio, alternativamente a sinistra e a destra. Le lame fogliari sono aghiformi, generalmente lineari e piatte, di consistenza morbida, bruscamente ristrette al picciolo corto, con apice arrotondato e verde brillante nella parte superiore.

La specie è monoica, con coni pollinici portati singolarmente su germogli riproduttivi ramificati e pendenti, ciascuno dei quali produce piccoli granelli di polline sferici e appiattiti. I coni dei semi sono a forma di punta, si sviluppano su brevi germogli riproduttivi e possiedono 8-14 coppie di scaglie fertili e brattee fuse, ciascuna contenente 5-9 semi alati. I semi hanno due cotiledoni.

Il legno di Metasequoia è leggero, morbido e a grana grossa, con alburno chiaro e durame bruno-rossastro a contrasto. La specie è priva di canali resiniferi, ma presenta cellule parenchimatiche resinifere sparse. Le foglie presentano stomi infossati con spessi anelli di Florin, una nervatura centrale sopra un canale resinifero e un mesofillo spugnoso omogeneo senza uno strato palisadico distinto. Queste caratteristiche lo collegano sia ai cipressi che alle sequoie, mentre il portamento deciduo lo allinea al Taxodium.

Storicamente, Metasequoia era diffusa in tutto l’emisfero settentrionale durante il tardo Cretaceo e il Terziario, raggiungendo alte latitudini artiche grazie al suo fogliame deciduo. I reperti fossili mostrano variazioni nella disposizione e nella morfologia delle foglie, ma oggi sopravvive una sola specie vivente nella Cina centrale. Introdotta in coltivazione nel XX secolo, rimane una reliquia vivente di un genere un tempo dominante, strettamente imparentato con Sequoia e Sequoiadendron.