Au sens botanique, les arbres sont des plantes à bois véritable. Celui-ci, également appelé xylème secondaire, est produit par une rangée cellulaire (l'assise libéro-ligneuse) appelée cambium, située sous l'écorce.

La genèse du bois est un processus répétitif qui dépose une couche nouvelle sur les précédentes. Le résultat est souvent visible sous la forme de cernes d'accroissement. Ce résultat est une croissance en épaisseur issue du fonctionnement du cambium qui est le méristème secondaire du bois (le phellogène étant le méristème secondaire de l'écorce). On ne trouve de plantes à bois véritable, et donc d'arbres au sens strict, que chez les Gymnospermes et les Angiospermes Dicotylédones.

Il existe d'autres types de plantes à bois véritable, mais les arbres s'en distinguent par des dimensions plus importantes (comparées à celles des arbustes) ou par la formation d'un tronc nettement individualisé (que ne possèdent pas les arbrisseaux) et porteur (alors que les lianes ligneuses doivent trouver un support pour s'élever).

Selon la fertilité du sol et au terme de leur croissance verticale (issue du fonctionnement des méristèmes primaires apicaux), les arbres peuvent atteindre une certaine hauteur, qui est plus importante que celle des arbustes. Aucune définition universelle ne fixe de valeur absolue, mais des institutions comme la FAO considèrent qu'un arbre est une espèce capable dans de bonnes conditions de croissance de pousser au moins jusqu'à 5 m de hauteur. D'autres comme l'IFN fixent le seuil de définition à 7 m.

Le statut d'arbre est donné par le potentiel de l'espèce et non par la dimension d'un individu à un moment ou à un endroit donné. Ainsi un chêne de trois ans de 1,50 m seulement est un jeune arbre et non pas un arbuste. De même un vieux pin rabougri accroché au sol squelettique d'une crête battue par les vents est un arbre nanifié et non pas un arbuste.

En écologie, on assimile quelquefois aux arbres diverses plantes arborescentes, comme