Il s'agit d'arbres persistants, semi-persistants ou caducs, monoïques. Peu de caractères leur sont communs. Les rameaux principaux sont plus ou moins verticillés.

Les feuilles, souvent à disposition spiralaire, sont aciculaires, linéaires, squamiformes ou subulées. La dimorphie et la trimorphie foliaires sont fréquentes. Chez Sciadopytis, les feuilles sont aciculaires et sont disposées en verticilles ; celles de Cunninghamia, charnues et dures, ressemblent à celles des Araucaria.

Chez Taxodium distichum (cyprès chauve), ce sont les rameaux courts qui tombent chaque année ; ces arbres constituent des forêts dans les marécages de Floride ; ils s'accommodent de cet habitat asphyxique grâce à des racines aériennes lignifiées qui peuvent atteindre 1 m à 1,50 m, les pneumatophores.

Ce sont des plantes monoïques. Les microsporophylles et macrosporophylles sont disposées en spirales, sauf chez Metasequoia ou elles sont décussées. Les cônes mâles, de taille réduite, sont solitaires ou groupés en panicules axillaires. Chaque microsporange porte 2-9 sacs polliniques. Le pollen est non sacculé. Les cônes femelles sont solitaires et terminaux ou subterminaux. Les macrosporophylles sont sessiles, et à demi ou complètement soudées. Les bractées sont rudimentaires chez Taiwania. Chaque macrosporophylle possède 2-9 ovules, dressés ou pendants.

Après la fécondation, les macrosporophylles deviennent coriaces ou ligneuses. Après maturation, elles s'ouvrent lors de leur déhiscence, sauf chez Taxodium ou elles tombent. De section plate ou triangulaire, les graines sont généralement ailées, sauf chez Taxodium. La plantule possède 2-9 cotylédons.

Leurs cônes femelles relativement gros ont une structure variable par la formation et la soudure plus ou moins complète de la bractée et de l'écaille, ce qui leur a valu d'être pour certains les formes intermédiaires entre les Pinales et les Araucariales. Toutefois, cette structure les rapproche énormément des Cupressaceae, famille dans laquelle les Taxodiaceae sont souvent incluses en tant que sous-famille. Cette union est renforcée par un certain nombre de résultats dans le domaine moléculaire. Ici, nous conserverons les deux familles séparées sur la base de la morphologie foliaire.

Alors que l'aire de répartition de la famille est actuellement assez réduite, les fossiles montrent qu'il n'en était rien auparavant. Par exemple, on connaît de nombreuses espèces de Sequoia à l'état fossile, du Jurassique supérieur au Crétacé et au tertiaire, en Europe, en Islande, au Groenland, en Sibérie et dans l'Amérique septentrionale. On est conduit à voir dans les Sequoia actuels les reliques d'un genre jadis prospère et maintenant en voie de disparition.