Дерево средних размеров, высотой 20 м, издалека похожее на сосну обыкновенную, но при более близком рассмотрении сочетает в себе еще и свойства сосны Банкса (у нее так же не опадают шишки после выпада семян, врастая в древесину). Часто образует кривой ствол и опущенную почти до земли широкопирамидальную, к старости округлую, неправильной формы крону. Удлиненные побеги красно-коричневые, укороченные серые, голые, часто, кроме весеннего побега, образуется еще один летний. Почки 6-14 мм длины, удлиненно-пирамидальные, обильно покрыты смолой, почечные чешуйки блестящие, красноватые, с пленчатыми бахромчатыми краями.
Хвоя густая, очень жесткая, заостренная, по краям шероховатая, несколько изогнутая, снизу плоская, с обеих сторон с многочисленными устичными линиями. Хвоинки растут группами по 3-5 штук вместе, редко одиночные, почти сидячие, в молодости обращены вниз. Они светло-зеленые, позднее темно-зеленые стоячие, в зависимости от условий длиной 3-12 см и шириной 2 мм, держатся на ветвях 2-3 года.
Шишки боковые, прочно сидящие, по 3-5 штук, долго остаются на дереве после выпада семян, выгорая на солнце до серебристо-пепельно-фиолетового цвета.
Растет медленно, живет 350-500 лет, морозостойка (-35°). Солнцелюбива. По биопоказателям, устойчивости в городе, отношению к почве и влажности близка к сосне обыкновенной. Неприхотлива к почвам, растет как на сухих, так и на избыточно увлажненных почвах.
По декоративности отличается внешне от сосны обыкновенной более узловатыми ветвями и искривленным скрученным стволом. Также особый живописный колорит дереву придают раскидистые ветви с многочисленными неопадающими шишками в мутовках по 3-5 штук. В солитерной посадке при достаточном солнечном освещении сосна жесткохвойная придает ландшафту японский колорит. Особенно декоративны рыхлые группы по 3-5 деревьев на свободных открытых солнечных местах с задним фоном из плотных хвойных пород. Характерная особенность – долгое задерживание в кроне дерева трехлетней отмершей хвои, что придает сосне особую притягательность.