Листопадное дерево высотой 12—28 м с широкой, густой шаровидной кроной. Кора молодых деревьев гладкая, серо-коричневая, с возрастом темнеет до почти чёрной и покрывается длинными, узкими, переплетающимися продольными трещинами. Ветви взрослого дерева крепкие, широкие, направлены вверх; коричневые либо красновато-серые, с терминальной (верхушечной) зелёной либо фиолетовой почкой в виде тюрбана с крупными почечными чешуйками.
Листья простые, дланевидные, супротивные, с 5—7 зазубренными, крупнозубчатыми лопастями, на концах лопастей заострённые, голые, до 18 см в длину. В верхней части тёмно-зелёные, снизу более бледные, осенью приобретают жёлтую или оранжевую окраску и затем опадают. Из черешков листьев и жилок сломанного листа выделяется характерный молочного цвета сок.
Цветки душистые, голые, яркие, желтовато-зелёные, собраны в щиток из 15—30, появляются в первой половине мая до и во время распускания листьев. Клён остролистный — двудомное растение, то есть мужские и женские цветки обычно распускаются на разных деревьях. Опыляется насекомыми.Нектарник представляет собой плоское кольцо и расположен между лепестками и завязью, основания тычинок погружены в него.
Плод представляет собой двойную крылатку, распадающуюся на два односемянных невскрывающихся плодика, с двумя длинными (3,5—5,5 см) расходящимися под тупым углом или почти горизонтально крыльями, которые способны уносить семя на большое расстояние. Семена голые, с крупным зелёным свёрнутым зародышем, без эндосперма, приплюснутые, созревают в конце лета и могут оставаться на дереве в течение зимы.
Семенная кожура тонкая.
Первые 3 года растёт довольно быстро, годовой прирост молодого дерева иной раз достигает метра, плодоносить начинает через 17 лет. В природе живёт до 150 лет.