El guanacaste es un árbol de tamaño medio a grande, que crece hasta 25-35 m de altura, con un tronco de hasta 3,5 m de diámetro. Inusual en un árbol de estas proporciones, los contrafuertes están completamente ausentes. La corteza es de color gris claro, con prominentes fisuras verticales de color marrón rojizo. En los árboles jóvenes estas fisuras están más juntas y su confluencia confiere un tono rojizo característico a la corteza de los árboles jóvenes de guanacaste. Los ejemplares más viejos suelen presentar la corteza rota, astillada o con cicatrices.
La copa es amplia y se extiende ampliamente. La altura a la que aparecen las primeras ramas a lo largo del tronco, así como la forma general del árbol, varían considerablemente entre los individuos y son características que dependen del hábitat. A menudo, los guanacastos crecen como ejemplares individuales en un pasto soleado. En estas condiciones, las extremidades horizontales, masivas y extendidas, surgen en la parte baja de los troncos, formando copas gigantes, semiesféricas y muy extendidas. En el bosque (donde la competencia por la luz es intensa) los árboles tienden a ser más altos y la ramificación se produce a un nivel más alto. Las formas de los árboles se vuelven entonces algo más estrechas, aunque las copas siguen siendo redondeadas, y las formas semiesféricas son mantenidas por aquellos que han alcanzado el dosel.
Las hojas alternas son compuestas bipinnadas, de 15-40 cm de largo y 17 cm de ancho con un peciolo de 2-6 cm que lleva 4-15 pares de pinnas, cada pinna con 40-70 foliolos; los foliolos son oblongos y delgados, de 8-15 mm de largo por 2-4 mm de ancho. Cerca de su base, el pecíolo ramificado muestra una pequeña glándula ovalada y elevada. Las hojas se limitan a la envoltura exterior de la copa, pero son lo suficientemente abundantes como para que sea moderadamente densa y verde. El guanacaste es perenne, o brevemente caducifolio durante 1-2 meses durante la estación seca. La mayor parte del follaje se desprende en diciembre, al comienzo de la estación seca. A finales de febrero, se inicia una oleada de crecimiento que restablece una corona fresca y gruesa para abril.
Concurrente con la renovación de las hojas es la aparición de inflorescencias globulares (3 cm) en las axilas de las nuevas hojas. Sostenidas por un largo pedestal (4 cm), cada cabeza esférica blanca -compuesta por unas cincuenta flores individuales- presenta miles de estambres delgados y filamentosos como característica principal. Las flores en sí están formadas por una veintena de estambres y un solo pistilo, unidos en la base por una corta corola tubular verde y un cáliz aún más corto, de apenas 5 mm de largo en total. Las flores de Guanacaste son muy fragantes, y durante los periodos de floración intensa su olor impregna el aire a muchos metros de distancia en todas las direcciones. En el Parque Nacional Manuel Antonio, cerca de Quepos, Costa Rica, la floración dura desde finales de febrero hasta principios de abril.
Sorprendentemente, no hay una actividad fructífera obvia inmediatamente después del declive de la floración. Más bien, pasan nueve o diez meses antes de que aparezcan pequeñas vainas verdes en lo alto de la corona en diciembre. Alcanzan su máximo tamaño en febrero y finalmente comienzan a madurar en marzo, un año después de que haya cesado la floración. La maduración de los frutos dura de marzo a abril, cuando las vainas verdes se vuelven marrones en la copa del guanacaste y se desprenden lentamente. Los árboles vigorosos producirán grandes cosechas casi anualmente. En junio, ya se pueden ver las plántulas de guanacaste, germinando en el suelo húmedo del inicio de la temporada de lluvias.
Los frutos del guanacaste son grandes (7-12 cm de diámetro), vainas indehiscentes de color marrón oscuro brillante y organizadas en espiral, con forma de discos orbiculares. Su forma sugiere el fruto habitual de las Mimosoideae: una vaina larga, estrecha y aplanada, tomada y enrollada alrededor de un eje perpendicular a su plano. Formadas por un tejido grueso y blando de tacto coriáceo, las vainas contienen entre 8 y 20 semillas dispuestas radialmente, de 14,5-17,5 mm de longitud, 7,8-11,2 mm de anchura y 6,2-7,2 mm de grosor, con un peso aproximado de 1 g. Las semillas de Guanacaste son de color marrón y están marcadas con un conspicuo anillo marrón claro o naranja. Son muy duras y se asemejan más a pequeñas piedras que a semillas de árboles por su resistencia y durabilidad. Para que se produzca la germinación, la dura cubierta de la semilla debe romperse para permitir que el agua llegue al embrión. De lo contrario, las semillas permanecerán inactivas indefinidamente.
El ardillo (Cojoba arborea) y el iguano (Dilodendron costaricense) poseen hojas bipinnadas similares con foliolos extrafinos. Aunque son igualmente impresionantes, estos dos árboles se distinguen fácilmente del guanacaste: el ardillo tiene una corteza de color bronceado, muy arrugada y áspera, nada que ver con la inconfundible corteza gris y agrietada verticalmente del guanacaste. Los foliolos del iguano son dentados (una característica inusual en un árbol bipinnado), mientras que los del guanacaste son enteros.