Самец и самка очень резко различаются, как формой, так и окраской — отсюда и название. Самка до 9 см ширины в размахе; передние крылья желтовато- или серовато-белые, с тёмно-бурыми поперечными, зубчатыми и волнистыми полосками, с чёрным полулунным, или в виде угла, пятном у середины и круглым маленьким близ основания; по оторочке, между жилками, ряд округлых чёрных пятнышек, брюшко толстое, с буровато-серым пушком на конце; усики и лапки чёрные. Самец до 4 см ширины в размахе; усики перистые, бурые; тёмно-серый, с такими же, но более широкими полосками и пятнами на передних крыльях, как у самки.
Яйцо вначале жёлтое, потом желтовато или розовато-серого цвета, гладкое, круглое, слегка приплюснутое сверху, диаметром 1—1,2 мм.[2]
Гусеница до 7 1/2 см длины, 16-ногая, волосистая, с тремя тонкими, иногда малозаметными, продольными полосками на спине и с парными бородавками, из которых передние 5 пар — синие, а задние 6 пар — красные; на каждой бородавке пучок волосков; на 8-м и 10-м кольцах две оранжевые, менее заметные железки; голова тёмно-серая, с двумя продольными, почковидными, чёрными пятнами.
Куколка матово-чёрная или тёмно-коричневая, с редкими пучками коротких рыжеватых волосков и с двумя ямками позади усиков.
Непарный шелкопряд распространён по всей Европе, на Кавказе, в Малой Азии, в Туркестане, по всей Сибири, в Японии и Северной Америке. Для данного вида характерны вспышки массового размножения с последующим объеданием лиственных лесов и садов на больших площадях. Объедают гусеницы листву почти на всех лиственных породах, из которых особенно любят дуб (Quercus) и липу (Tilia), но ясень (Fraxinus) и ольху (Alnus) не трогают, а также[прояснить] и грушу (Pyrus); при недостатке лиственных нападают иногда на хвойные породы и, уничтожая их всходы в питомниках, приносят заметный вред. Азиатская раса непарного шелкопряда отнесена в России к карантинным объектам.