Osiąga 40 m wysokości, zazwyczaj prosty, z wiekiem często staje się poskręcany. Kora u młodych drzew jest gładka, z czasem staje się szorstka, podłużnie bruzdowata, szarobrązowa.
Długości 5-12 cm, ustawione skrętolegle. Blaszka liścia z 5-8 zatokowato zaokrąglonymi klapami, z krótkim ogonkiem. Klapy blaszki regularne, niezbyt głęboko wcięte. Młode liście pokryte puszystymi włoskami, z czasem zanikają, pozostający tylko na spodzie blaszki. Nerwy boczne dochodzą prawie wyłącznie do szczytów klap.
Kwitnie ok. 2 tyg. później niż dąb szypułkowy. Gatunek jednopienny, kwiaty męskie tworzą zielonkawe, zwisające kotki. Siedzące lub na szypułkach do 10 mm długich kwiaty żeńskie są również zielonkawe, występują pojedynczo lub zebrane po 5.
Orzech nazywany żołędziem. Długość 16 - 35 mm, grubość 8 - 16 mm. Najgrubsza część w 1/3 długości, rzadziej w połowie. Znamię wypukłe, szczyt zaostrzony. Miseczka obejmuje tylko żołędzia. Dojrzały żołądź jest podługowato-owalny, zwykle jednolicie ciemnobrunatny. Drzewo zaczyna owocować w wieku 40-50 lat, a gdy rośnie w zwarciu jeszcze później.
Preferuje klimat umiarkowany, łagodny i wilgotny. Tworzy czyste dąbrowy i lasy mieszane z innymi gatunkami dębów, kasztanem, bukiem i grabem. Najlepiej rośnie na glebach piaszczysto-gliniastych, lekko kwaśnych. Najwyżej stwierdzone występowanie - Alpy i Pireneje - 1800 m n.p.m, góry Elbrusu w Azji - 2400 m n.p.m. W Polsce na ogół nie przekracza wysokości 550 m n.p.m. Najwyżej odnotowano go w Gorcach – 750 m n.p.m.
Drewno dęba bezszypułkowego, nieco bardziej miękkie i lżejsze, niż dęba szypułkowego, jest jednym z najbardziej cennych gatunków drewna i jest powszechnie wykorzystywane. Biel średnio twarda, o barwie biało - żółtawej. Twardziel zdecydowanie ciężka, odporna na ścieranie, bardzo twarda (może przewyższać twardością nawet drewno bukowe), barwa brunatna. Dostarcza szczególnie cennego drewna, używanego do budowy okrętów, wytwarzania mebli i podłóg, sklejki, płyt wiórowych. Szczególnie nadaje się w budownictwie wodnym, ze względu na swoją dużą wytrzymałość na gnicie. Wykorzystuje się je także do budowy antałków, w których leżakują cenne alkohole.