אורן ירושלים הוא עץ מחטני ירוק־עד ממשפחת האורניים. גזעו וענפיו הבוגרים עטויים קליפה עבה ומחוספסת, וברקמות העץ עוברים צינורות המפרישים שרף ארומטי.

המחטים דקות וגמישות ומופיעות בזוגות על גבי ענפים מקוצרים. למעשה, לעץ שני טיפוסי ענפים: ענפי צמיחה ארוכים הבונים את שלד העץ, וענפים מקוצרים הנושאים את זוגות המחטים.

אורן ירושלים הוא חד־ביתי. באביב מתפתחים על אותו עץ אצטרובלים זכריים ונקביים נפרדים. האצטרובלים הזכריים מופיעים בקבוצות ומפזרים כמויות גדולות של אבקה ברוח, בעוד האצטרובלים הנקביים ממשיכים להתפתח לאחר ההאבקה במשך כשנה וחצי.

האצטרובל הבשל מעוצה ונישא על עוקץ קצר, הכפוף באופן אופייני לכיוון בסיס הענף. הזרעים קטנים ומצוידים בכנף קרומית המסייעת להפצתם ברוח. אצטרובלים רבים נשארים סגורים חלקית על העץ זמן רב, וחשיפה לחום וליובש מעודדת את פתיחת הקשקשים ואת שחרור הזרעים.

אורן ירושלים הוא מין בר מקומי של מזרח אגן הים התיכון, ובישראל שרדו מספר אוכלוסיות טבעיות ומבודדות, בין היתר בכרמל, בגליל ובהרי יהודה. אוכלוסיות אלה מובחנות מבחינה גנטית מאוכלוסיות שמקורן באזורים אחרים באגן הים התיכון. לצד אוכלוסיות הבר ניטעו בישראל, בעיקר במהלך המאה ה־20, שטחים עצומים של אורן ירושלים שמקור חומר הריבוי שלהם אינו בהכרח באוכלוסיות המקומיות. משום כך, אורן ירושלים הגדל כיום בישראל אינו מקשה גנטית אחת: יש להבחין בין אוכלוסיות הבר המקומיות לבין חלק מן האוכלוסיות הנטועות וצאצאיהן.

הקרבה בין יערות נטועים לאוכלוסיות הבר מאפשרת זרימת גנים ביניהן, ולכן לשימור המטען הגנטי הייחודי של אוכלוסיות הבר המקומיות יש חשיבות בפני עצמה.