Tallo erguido o serpenteándose, simple o dividiéndose dicotómicamente, de hasta 5 m de largo por 10 cm de diámetro, cubierto de escamas ovaladas de color castaño, pero generalmente quemadas, dando un aspecto negro al tallo; hojas numerosas terminales en rosetas, hasta 1 m. de largo por 3,5 cm de largo, en su parte apical un poco arqueadas, recorridas por nervadura paralela, haz escasamente acanalado, márgenes provistos de espinas cónicas glabras; las espinas inferiores con sus puntas dirigidas hacia arriba, las espinas superiores con sus espinas dirigidas hacia abajo, color de las hojas verde oscuro en el haz, verde más claro en el envés; escapo floral cilíndrico, leñoso, escasamente piloso, sin tomento, de dos a tres metros de alto por 4 a 5 cm de diámetro, cubierto de brácteas, anchas adheridas al escapo; escapo y brácteas de color verde; inflorescencia corresponde a una panícula (racimo de racimos) densa escasamente piramidal de 1 m de alto por 30 cm. de diámetro, en la base de cada racimo una bráctea de forma anchamente lanceolada con ápice agudo, de 7-8 cm de largo por 4-5 cm de ancho, pilosa, sin tomento; flores amarillo verdosas con textura de cera, pedunculadas, agrupadas en la parte inferior del racimo, atrofiadas hacia la mitad del racimo, inexistentes en el extremo del racimo, sector denominado terminal estéril, entre 15-25 flores en cada racimo, menos en las poblaciones norteñas, cada flor con una bráctea basal de forma anchamente lanceolada con ápice agudo, recorrida por muchos nervios paralelos, 3 tépalos exteriores de forma lanceolada con ápice agudo, 2,5 a 2,8 cm. de largo, subcarnosos, 3 tépalos interiores formando un cilindro de hasta 2 cm de ancho, con sus ápices agudos algo patentes, carnosos, de 5-6 cm. de largo, 6 estambres con filamentos glabros, de 3,5 a 3,8 cm. de largo, con anteras basifijas, estas erectas de 0,8 cm. de largo, pistilo con estilo algo más largo que los filamentos, estigma trífido, ovario ínfero tricarpelar, trilocular, semillas con placentación axial, fruto una cápsula dehiscente. Basado en Zöellner (1988). La puya o chagual habita laderas de cerros de las provincias centrales de mar a cordillera de la costa siendo más abundante en la costa y valles transversales. No crece en la Cordillera de Los Andes. Es la más grande de las puyas chilenas, aunque presenta variaciones de tamaño encontrándose individuos enanos. Florece en primavera desde septiembre hasta noviembre (especialmente los individuos de distribución septentrional), antes que comience la floración de P. berteroniana (probablemente esta sea la razón por la cual no se conocen híbridos de ambas aunque sean especies simpátricas). No florece o lo hace muy escasamente cuando el invierno anterior ha sido seco, sin embargo, si las condiciones de oferta hídricas son óptimas puede florecer todos los años. Las espinas de los dos tercios exteriores de la hoja están orientadas hacia el ápice (exterior de la mata), con lo que los herbívoros difícilmente alcanzan el centro donde se encuentra el palmito comestible. También se observa esta adaptación en P. berteroniana. Esta especie y Puya berteroniana es hospedador de la mariposa del Chagual (Castnia psittachus Mol.) la más grande mariposa chilena, la larva se alimenta recorriendo el interior de la planta, tallos de las rosetas, escapo floral, etc., forma la pupa fuera de la planta formando una cámara con desechos de la planta que fija entre las hojas. También es hospedador de algunas especies de abejas nativas. La planta se defiende del ataque de la larva, emitiendo una goma translúcida de color pardo – café, rica en basorina y que se usaba como emoliente y astringente (Smith & Looser 1935). Al norte de Los Vilos, Puya chilensis presenta algunas diferencias morfológicas y fenológicas aún no bien estudiadas, su inflorescencia presenta tomento en las ramas florales y en las brácteas de las ramas y florales, las espinas tienden a mostrar algún grado de presencia de tomento. En relación a las diferencias fenológicas solo florece un bajo porcentaje de la población y lo hace desde el mes de octubre-noviembre, por otra parte aumenta drásticamente la densidad poblacional habiendo localidades donde la especie cubre el 100% del sitio como se observa desde las planicies de Los Vilos, hasta el sector de Puerto Oscuro incluso más al norte. Por otra parte se observan con frecuencia individuos con inflorescencias mal formadas. El tomento algodonoso de la inflorescencia y espinas la acerca notablemente a lo que se conoce como Puya gilmartiniae. Zizka et al. (2009) considera estas diferencias como parte de la variabilidad natural de la especie.
