Comme d’autres espèces de hiboux similaires, les grands-ducs d’Amérique ont une face arrondie et des yeux orientés vers l’avant, assurant une vision binoculaire. Ils possèdent de caractéristiques aigrettes de plumes en forme de cornes, plus sombres que le reste de la tête, améliorant leur camouflage. Une tache blanche distincte orne leur gorge. Le ventre est blanc avec des barres brunes et noires, le dos est plus sombre avec des taches. Le plumage autour du bec noir est blanchâtre ou brun clair. Leurs yeux varient dans des tons de jaune.

La taille varie selon la région et le sexe : les femelles (env. 1,7 kg) sont plus grandes que les mâles (env. 1,3 kg). Leur longueur totale est comprise entre 45,7 et 63,5 cm, avec une envergure de 127 à 152,4 cm. En latitudes nordiques, ils présentent des corps plus massifs et de plus grandes ailes, conformément à la règle de Bergmann. On observe aussi des variations de couleur selon leur aire de répartition.

Les grands-ducs d’Amérique ne sont pas sociaux, vivant en solitaires sauf pendant la reproduction. Ils ne migrent pas, restant sur le même territoire. Ils communiquent par des hululements, surtout pour marquer leurs limites territoriales. Les disputes peuvent être mortelles. Certains individus deviennent « flottants », sans territoire fixe, se déplaçant entre territoires, ce qui retarde la reproduction des jeunes et favorise celle des adultes établis.

Carnivores opportunistes, ils se nourrissent principalement de vertébrés terrestres. Leur régime varie selon la disponibilité des proies : lièvres et campagnols dans les zones de succession tardive ; petits mammifères, lapereaux, rongeurs ou insectes dans le sud-ouest des États-Unis ; rongeurs et insectes en zones désertiques ; poissons, amphibiens, crustacés et reptiles dans les milieux aquatiques. Ils chassent à l’affût, se perchant pour repérer une proie avant de fondre dessus, l’attrapant au sol ou en plein vol si nécessaire.

Très adaptables, ils occupent une grande variété d’habitats, du niveau de la mer jusqu’à 3 352 m d’altitude. Ils vivent dans des zones mêlant forêts et champs ouverts, prairies, déserts, marais, mangroves, ainsi que dans des environnements ruraux et urbains.

Les grands-ducs d’Amérique sont monogames, formant des couples reproducteurs territoriaux qui excluent les autres pour garantir l’accès aux proies. Le territoire est défendu surtout autour du nid. Les rituels de hululements permettent la formation du couple et s’intensifient avant la reproduction.

Ils nichent dans des nids abandonnés par d’autres oiseaux ou écureuils. La taille de la couvée dépend de la nourriture disponible : 1 à 6 œufs, en moyenne 2 à 4. L’incubation dure de 30 à 37 jours. Les jeunes quittent le nid entre 6 et 9 semaines et deviennent indépendants entre 5 et 10 semaines. La maturité sexuelle survient entre 1 et 3 ans. Comme d’autres espèces largement réparties, ils pondent plus tard dans l’année à mesure que la latitude augmente.

L’espérance de vie moyenne est de 13 ans. Le record en liberté est de 28 ans, tandis qu’en captivité, la moyenne est de 20 ans avec un maximum enregistré de 35 ans. Les activités humaines, comme la destruction de l’habitat, peuvent réduire leur longévité.