Для древесины характерно слоисто-волокнистое строение, состоящее из клеток различной формы, назначения и величины. Обычно древесина состоит из целлюлозы (приблизительно 50%), лигнина (около 30%) и гемицелюлозы (около 20%). Состав хвойных и лиственных деревьев почти одинаков. Снаружи древесина покрыта корой, защищающей дерево от механических и атмосферных воздействий.
В зависимости от макроструктуры древесину делят на: заболонную, ядровую и спело древесную. У ядровых пород деревьев (дуб, кедр, тополь) середина имеет темный окрас, а периферическая часть - светлый. Ядро состоит из отмерших клеток, закупоренных и пропитанных дубильными веществами и смолой, благодаря чему имеет повышенную стойкость к загниваниям.
У спело древесинных деревьев (липа, бук, осина) древесина обладает ровным цветом от центра к периферии и имеет низкую влажность. Заболонная древесина (клен, береза, граб) состоит из молодых клеток и предназначена для движения воды и питательных веществ внутри дерева. При одинаковых условиях произрастания заболонь имеет схожие механические свойства с ядровой. Она более склонна к загниванию, но в отличии ядровой древесины легка в пропитке антисептиками.
Древесина состоит из годичных слоев, указывающих на возраст дерева. Так же по ним можно увидеть прирост древесины за один вегетационный период. Любой годичный слой имеет неправильную коническую форму и состоит из ранней и поздней древесины. Ранняя древесина - мягкая и светлая, образуется весной и служит для передвижения влаги в стволе дерева, а поздняя - твердая и темная, расположена ближе к коре и играет защитную роль, образуется в конце лета.
У всех пород дерева наблюдаются сердцевинные лучи - светлые либо темные линии. Сердцевидные лучи могут быть первичными - начинаются от центра и вторичными - начинаются на разном отдалении от центра; плохо различимыми и узкими (ильма, липа, клен) и хорошо различимыми, широкими (дуб, бук). Древесина может легко треснуть или расколоться по сердцевидным лучам, потому что ее клетки очень слабо связаны между собой.
На прочность и ценность древесины влияют пороки - это искажение формы ствола, сучки, нарушения целостности древесины, естественные неоднородности и наросты , дефекты обработки, химические окраски, инородные включения и т.д. Такие пороки могут возникнуть во время неправильной обработки, при естественном росте дерева, или при неправильной транспортировке и хранении. Данные дефекты значительно снижают ценность древесной породы, однако в некоторых сферах, наличие таковых играет декоративную роль. Например, древесина с многочисленными выступающими наростами является незаменимым украшением в ландшафтном дизайне.