Kæmpe-thuja er et relativt stort stedsegrønt nåletræ, der kan bliver op til 30 meter højt. Træet er kegleformet med grene, der sidder spredt og opret omkring stammen. Fritstående får træet grene helt til jorden, i bevoksninger bliver stammen søjleformet. Nålene er formet som skæl, der er grønne og blanke med en lille hvid plet på undersiden af hvert skæl. De små skæl ligger som tagsten uden på hinanden. De følger skuddene, der er flade og forgrener sig. Træet er enbo, hvor han- og hunblomster sidder på samme træ, men hver for sig i spidsen af små grene. Hanblomsterne er meget små og sidder for enden af små skud. På kraftigere skud sidder hunblomsterne, der bliver til 1-1,5 cm aflange, brune kogler og har 6-8 tynde, læderagtige og taglagte skæl. Barken er rødbrun med tætte furer, der skaller af i lange strimler og flager, hvorunder der er et trævlet bastlag.