ต้นพญายา ไม้พุ่มกึ่งไม้ต้น หรือไม้ยืนต้นขนาดเล็กถึงขนาดกลาง เนื้อไม้สีขาว เปลือกต้นสีน้ำตาล ขรุขระ ลำต้นและกิ่งมีหนาม มีหนามแข็ง และยาว หนามออกเดี่ยวหรือเป็นคู่ ตรง ยาวได้ถึง 2.5 เซนติเมตร ไม่ผลัดใบ สูง 8-15 เมตร ลำต้นเปลาตรง แตกกิ่งต่ำ กิ่งก้านตั้งฉากกับลำต้น กิ่งอ่อนและยอดอ่อนเกลี้ยง 

ใบพญายา เป็นใบประกอบแบบขนนกชั้นเดียว เรียงสลับ ใบย่อย 4-13 ใบ รูปวงรีแกมไข่กลับ กว้าง 1.5-3 เซนติเมตร ยาว 2-7 เซนติเมตร ก้านใบแผ่เป็นปีก ลักษณะเป็นครีบออกสองข้าง เป็นช่วงๆ ระหว่างคู่ใบย่อย โคนและปลายใบสอบแคบ เนื้อใบบางคล้ายกระดาษถึงหนาคล้ายแผ่นหนัง เนียน เกลี้ยง เมื่อส่องดูจะเห็นต่อมน้ำมันเป็นจุดใสๆกระจายอยู่ทั่วไป ขอบใบหยัก เป็นซี่ฟันเลื่อย ตื้นๆ เส้นแขนงใบข้างละ 3-5 เส้น ก้านช่อใบยาวได้ถึง 3 เซนติเมตร ไม่มีก้านใบย่อย 

ดอกพญายา ออกเป็นช่อแบบช่อกระจะ รวมกันเป็นกระจุกตามกิ่งเล็กๆหรือตามซอกใบ มีขนสั้นนุ่ม ดอกสีขาวหรือสีขาวอมเหลือง กลีบดอกมี 4 กลีบ เมื่อบานจะแผ่ออกหรือลู่ไปทางก้านเล็กน้อย กลีบดอกรูปไข่แกมรูปรี กว้างประมาณ 3 มิลลิเมตร ยาว 7 มิลลิเมตร เกลี้ยง มีต่อมน้ำมันประปราย เกสรตัวผู้มี 8 อัน ยาว 4-6 มิลลิเมตร ยาวเกือบเท่ากันหรือสลับกันระหว่างสั้นกับยาว เกลี้ยง ก้านชูอับเรณูรูปลิ่มแคบ อับเรณูรูปขอบขนานแกมรูปไข่ยาวประมาณ 2 มิลลิเมตร ปลายเป็นติ่งแหลมสั้นถึงติ่งแหลมอ่อน รังไข่อยู่เหนือวงกลีบ เกือบกลม ยาว 1-2 มิลลิเมตร มีต่อมน้ำมัน เกลี้ยง มี 4 ช่อง แต่ละช่องมีออวุล 1 เม็ด ก้านเกสรเพศเมียยาวประมาณ 1 มิลลิเมตร มีต่อมน้ำมันใต้ยอดเกสรเพศเมีย ยอดเกสรเพศเมียปลายแยกเป็น 5 แฉก จานฐานดอกเกลี้ยง ก้านช่อดอกยาวได้ถึง 2 เซนติเมตร ก้านดอกยาว 8-10 มิลลิเมตร เกลี้ยง หรือมีขน กลีบเลี้ยง 4 กลีบ รูปคล้ายสามเหลี่ยม กว้าง และยาวประมาณ 1.5 มิลลิเมตร ปลายแหลม ผิวด้านนอกมีขนละเอียด และมีต่อมน้ำมัน ด้านในเกลี้ยง 

ผลพญายา ผลสด รูปทรงกลม ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.5-1 เซนติเมตร เมื่ออ่อนสีเขียว แก่จัดสีม่วงคล้ำ ก้านผลยาวได้ถึง 2 เซนติเมตร เมล็ดรูปเกือบกลม กว้างประมาณ 5 มิลลิเมตร สีน้ำตาลอมส้มอ่อน มี 1-4 เมล็ด เนื้อไม้ เมื่อตัดมาใหม่ๆ จะมีสีขาว แล้วเปลี่ยนเป็นสีเหลืองอ่อน ถ้าทิ้งไว้นานๆจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลปนเหลืองอ่อน