Der Echte Sternanis wächst als immergrüner Baum, der Wuchshöhen von bis zu 20 m erreichen kann.
Die wechselständigen und kurz gestielten, ledrigen Laubblätter stehen dicht an den Enden der Zweige. Sie sind verkehrt-eiförmig bis -eilanzettlich oder lanzettlich, 5 bis 15 cm lang und 1,5 bis 5 cm breit. Die Blattspitze ist rundspitzig bis spitz oder kurz zugespitzt, die Blattbasis ist keilförmig bis spitz, der Blattrand ist ganz. Die Blätter sind meist kahl und enthalten Ölzellen. Die Nebenblätter fehlen.
Die weiß-rosa bis rötlichen oder auch gelb-grünlichen und zwittrigen, gestielten, duftenden Blüten stehen meist einzeln in den Blattachseln. Die einfache Blütenhülle besteht aus sieben bis zwölf Blütenhüllblättern. Es sind 11 bis 20 freie, kurze Staubblätter vorhanden, meist sieben bis neun freie, oberständige Fruchtblätter mit kurzem Griffel stehen in einem Quirl und sind nicht miteinander verwachsen.
Die rötlich-braune, sternförmige Sammelbalgfrucht besitzt einen Durchmesser von etwa 3–4 cm und besteht aus meist sieben bis neun verholzten, einsamigen Balgfrüchten. Die 8–9 mm großen, abgeflachten Samen sind bräunlich, glatt und glänzend.
Die Chromosomenzahl beträgt 2n = 28.
