Дерево до 30 м и более высотой и до 1 м в диаметре. Кора в молодости буроватая, гладкая с мелкими пленчатыми чешуйками, к старости становится чешуйчата-шероховатой. Побеги — от коричнево-бурых до светло-желтых, слегка железисто-волосистые; почки тупоконические, буроватые со слабозаметными выпотами смолы. Ветвление не строго мутовчатое, но более крупные ветви располагаются почти мутовчато и вырастают из пазушных почек близ верхушечной. Крона густая, ширококоническая, с заостренной вершиной, опускается по стволу сравнительно низко. Хвоя 2—3 см длиной, жесткая, на конце заостренная, в сечении ромбическая, темно-зеленая, блестящая. На осевом вертикальном побеге хвоя расположена радиально и почти прижата к стеблю, а верхушечную почку она даже закрывает, прижимаясь к ней и закручиваясь спирально. На боковых побегах хвоя располагается по обе стороны и сверху побега, а снизу побег остается неохвоенным. Живет хвоя 6—12 лет и, так же как у пихты, опадает постепенно в осенне-зимний период.
Почки ели распускаются во второй половине весны, почти одновременно с зацветанием черемухи обыкновенной, и в это же время начинается ее пыление. В естественных условиях деревья ели, растущие при полном освещении, в половозрелое состояние вступают в 15—20 лет, а растущие в лесу — в 25—30 лет. Микростробилы имеют вид красновато-желтых колосков яйцевидной формы до 15 мм длиной и появляются из боковых генеративных почек на побегах предыдущего года. Во время пыления пыльцы образуется очень много, она снабжена двумя воздушными мешками и хорошо разносится ветром.
Макростробилы образуются в генеративных почках на побегах прошлого года, но располагаются на их концах и стоят вертикально. Они хорошо заметны в кроне на фоне темной хвои: цилиндрические, до 5 см длиной, светло-розовые, розовато-зеленые, ярко-красные или темно-бордовые.
После опыления шишки свешиваются вниз и к октябрю созревают. Но осенью, как правило, они не раскрываются, чешуи их плотно сомкнуты и семена не выпадают. Раскрытие шишки и рассеивание семян происходят чаще с января по апрель. Раскрытию шишек способствует сухая и морозная погода, а распространению семян — ветер, который может разносить семена.
Ее высокая требовательность к влажности воздуха и почвы является главным фактором, определяющим южную границу распространения. В юго-восточной части ареала после засух могут отмирать даже крупные деревья. Ель не выносит избыточного застойного увлажнения, но на почвах с избыточным проточным увлажнением растет хорошо, принимая вместе с ольхой черной участие в образовании лесных травяно-болотных ассоциаций. Таким образом, по отношению к воде ель — типичный мезофит, а отдельные ее экотипы — мезогигрофиты. В отношении плодородия почв ель не отличается высокой требовательностью и относится к мезотрофам. Ель вполне зимостойка, однако может сильно страдать (особенно подрост) от поздневесенних и раннеосенних заморозков. У ели четко выражены рано- и позднораспускающиеся фенологические формы. Различие в сроках распускания почек, начала роста побегов, пыления и распускания хвои у этих форм может достигать 3 недель.