美国白蛾的雌雄异型，成虫白色雌蛾体长9-15毫米，翅展30-42毫米。雄蛾体长9-14毫米，翅展25-37毫米。雄蛾触角双栉状，前翅上有几个褐色斑点。雌蛾触角锯齿状，前翅纯白色。成虫前足基节及腿节端部为橘黄色，颈节及跗节大部分为黑色，前中跗节的前爪长而弯，后爪短而直。
老熟幼虫头黑色具光泽，体色为黄绿至灰黑色。背部有1条黑色或深褐色宽纵带，黑色毛疣发达,毛丛呈白色，混杂有黑色或棕色长毛。卵球形。幼虫体色变化很大，根据头部色泽分为红头型和黑头型两类。蛹长纺锤形，暗红褐色，茧褐色或暗红色，由稀疏的丝混杂幼虫体毛组成。
成虫:白色中型蛾子，体长13～15毫米。复眼黑褐色，口器短而纤细。胸部背面密布白色绒毛，多数个体腹部白色，无斑点，少数个体腹部黄色，上有黑点。雄成虫触角黑色，栉齿状。翅展 23～34毫米，前翅散生黑褐色小斑点。雌成虫触角褐色，锯齿状。翅展33～44毫米，前翅纯白色，后翅通常为纯白色。(雄虫越冬蛹个别前后翅都有黑斑。)
卵:圆球形，直径约0.5毫米，初产卵浅黄绿色或浅绿色，后变灰绿色，孵化前变灰褐色，有较强的光泽。卵单层排列成块，覆盖白色鳞毛。
幼虫:老熟幼虫体长28～35毫米，头黑，具光泽。体黄绿色至灰黑色，背线、气门上线、气门下线浅黄色。背部毛瘤黑色，体侧毛瘤多为橙黄色，毛瘤上着生白色长毛丛。腹足外侧黑色。气门白色，椭圆形，具黑边。根据幼虫的形态，可分为黑头型和红头型两型，其在低龄时就明显可以分辨。三龄后，从体色，色斑，毛瘤及其上的刚毛颜色上更易区别。
蛹:体长8-15毫米，宽3-5毫米，暗红褐色。雄蛹瘦小，雌蛹较肥大，蛹外被有黄褐色薄丝质茧，茧上的丝混杂着幼虫的体毛共同形成网状物。腹部各节除节间外，布满凹陷刻点，臀刺8～17根，每根钩刺的末端呈喇叭口状，中凹陷。