C'est un arbre qui atteint 20 à 30 m de haut. Il est très souvent drageonnant et forme des bosquets parfois envahissants. Le tronc est gris-brun avec une écorce épaisse profondément crevassée dans le sens longitudinal. Les drageons et jeunes branches sont épineux.
Les feuilles caduques sont imparipennées, avec un grand nombre (de 9 à 19) de folioles ovales; les stipules des feuilles portées par les rameaux non florifères sont transformées en épine aiguës, qui persistent plusieurs années après la chute des feuilles.
Les fleurs sont blanches, en grappes pendantes parfumées et mellifères de 10 à 25 cm de long.
Les fruits sont des gousses aplaties, de 7 à 12 cm de long, contenant plusieurs graines.
La rhizosphère du robinier encourage des bactéries fixatrices d'azote. Le système radiculaire peut s’étendre sur un rayon de 15 mètres autour du tronc sur les terrains secs.
Chaque année le bois de printemps apparaît comme un anneau poreux. Entre les cellules du parenchyme de gros vaisseaux sont visibles à l'œil nu. À l'automne, ces vaisseaux sont obturés par des excroissances des cellules qui les bordent, les thylles. Chez le robinier, les gros vaisseaux du bois de printemps ne conduisent la sève qu'une saison.
Sa croissance rapide, sa capacité de multiplication végétative importante (rejets de souche et drageonnage), sa production abondante de graines toxiques, sa capacité à fixer l'azote atmosphérique et la toxicité de son bois et de ses feuilles en font une espèce pionnière compétitive capable de modifier profondément les phytocénoses locales.
Cette espèce est généralement considérée comme très envahissante sur son aire européenne de répartition, empêchant la croissance des autres plantes notamment par concurrence à la pollinisation. Dans certains endroits il a pris la place de forêts entières de châtaigniers. Il peut être remplacé par des sorbiers. Cependant il s'étend surtout sur des sols qui lui sont propices : sols frais et filtrants (sables) et avec un accès à la lumière (pas sous des chênes adultes ou noisetiers par exemple).
Très dur, et quasiment imputrescible, ne nécessitant pas de traitement, pouvant remplacer les bois exotiques, il est considéré comme une essence très durable. Le bois des arbres qui poussent au bord de l'eau est cependant moins durable. Son bois jaune dur imputrescible est recherché pour la fabrication de piquets de vigne ou de clôture, parfois remplacé par le châtaignier dans les régions où il manque. Grâce à sa croissance rapide, ces utilisations assurent un débouché rémunérateur aux plantations de robiniers conduites en taillis. Facile à travailler, il était aussi utilisé en charronnerie. On cherche actuellement à valoriser le bois de robinier comme bois d'œuvre pour la fabrication de meubles de jardin et d'équipement extérieur (cf. société Alternabois qui fabrique des lames pour terrasses). Des sylviculteurs du Sud-Ouest se sont lancés dans l'amélioration de leur parcelles de robiniers. Des essais en Ukraine démontrent qu'il serait de bonne qualité pour le BRF (bois raméal fragmenté).
Ses fleurs odorantes trouvent un débouché en parfumerie et sont à la source de l'un des miels de printemps les plus réputés - le miel d'acacia - un miel liquide à la belle couleur d'ambre clair. Au mois de juin, les grappes de fleurs, trempées dans de la pâte à beignets puis frites, sont une friandise délicatement parfumée.
L'ingestion de l'espèce est considérée comme toxique pour tous les animaux.
L'arbre est utilisé pour « végétaliser » les sols inertes, grâce à sa résistance au froid et à la sécheresse, et à son pouvoir de fixation de l'azote atmosphérique (propriété commune à toutes les Fabacées).
Il est également utilisé comme arbre d'ornement. Il existe de nombreuses variétés horticoles, à feuillage jaune, à feuilles monophylles, sans épines, ou bien à port pleureur. D'autres espèces du genre Robinia sont également plantées à cet effet, notamment R. hispida, R. viscosa, toutes deux à fleurs roses.