Для бабочки непарного шелкопряда характерен резкий половой диморфизм. Самец в размахе крыльев 35-40 мм, окрашен темнее, чем самка, передние крылья буровато-серые с поперечными темными волнистыми полосами. Задние крылья одноцветные бурые. Брюшко узкое, усики широкогребенчатые. Самка крупнее, в размахе крыльев 55-70 мм. Обе пары крыльев грязно-белого цвета, передние крылья с четкими темно-коричневыми зигзагообразными полосами. Тело самки крупное, брюшко заметно утолщенное и густо покрыто коричнево-желтыми волосками. Усики щетинко-видные, односторонне гребенчатые.
Яйца вначале розоватые, позже — темно-серые, уложены в округлые кучки, покрытые светлыми желто-коричневыми волосками с тела самок. Эти образования, содержащие 500-1000 яиц, называются “губки”. Волоски охраняют яйца от мороза (яйца зимуют), а также делают их незаметными в окружающей среде (мимикрия).

У гусениц характерная желтоватая, с темным мраморным рисунком, довольно крупная голова с двумя коричневыми полосками. Тело цилиндрической формы. Молодые, только что вышедшие гусеницы, черные, покрыты волосками. У гусениц первого возраста на втором, третьем и десятом сегментах тела желтоватые пятнышки.
Взрослые гусеницы имеют длину 40-80 мм. Основная окраска от серой до желто-коричневой с тремя тонкими желтыми линиями или с одной более широкой продольной темно-коричневой линией на спине. На первых пяти сегментах по 2 сине-фиолетовые бородавки, на всех остальных — по 2 красные бородавки.
Куколкимумиеобразные, темно-коричневые, матовые, длиной 20-30 мм, с редкими пучками волосков и с крючочками на конце тела. Уже на куколках можно установить будущий пол, кроме иного, по половым отверстиям. В отличие от шелкопряда-монашенки волоски на спинной стороне коричнево-желтые.

Непарный шелкопряд повреждает большинство лиственных пород. Гусеницы нападают чаще всего на плодовые деревья, с которых легко переходят на дуб, граб, липу и многочисленные другие породы. Вспышки массового размножения этого вредителя чаще всего происходят в южных районах в дубовых насаждениях.

Бабочки появляются в природе начиная с конца августа до сентября, а в теплых районах — на месяц раньше. Первыми начинают лёт самцы, на несколько дней раньше самок. Самки тяжелые, обычно не летают и сидят на коре стволов. Самцы, особенно в вечернее время, живо летают и разыскивают самок, к которым их привлекают, и с относительно больших расстояний, сексуальные атрактанты (феромоны). Оплодотворенные самки откладывают яйца в кучки (“губки”) на кору нижней части лиственных деревьев, в нормальных условиях на высоту максимально 4 м. Одна самка откладывает в среднем 250-500 яиц. Бабочки живут всего около двух недель. Перезимовавшие яйца содержат маленьких гусениц, которые выходят только в апреле следующего года, когда средняя температура достигает 10 ° С. Вначале маленькие гусеницы не питаются, живут вместе и только через несколько дней расползаются по кроне. Гусеницы первого возраста выгрызают в молодых листьях небольшие отверстия, старшие гусеницы поедают листья особым, для них характерным, способом. Часто остатки листьев опадают на землю. При недостатке пищи гусеницы поедают незрелые ткани побегов, цветы, почки. Установлено, что гусеницы средних возрастов в насаждениях с подростом и влажной лесной подстилкой часто мигрируют по деревьям вниз.

Молодые гусеницы питаются в основном днем, интенсивное питание гусениц старших возрастов (от 4 и выше) происходит в основном ночью и только в случае вспышки массового размножения — и днем. Примерно через 70-80 дней, в теплых южных областях через 45-50 дней, после усиленного питания гусеницы готовы к окукливанию. Окукливание происходит в половине июля, на юге — уже в конце июня. Стадия куколки продолжается примерно 10-15 дней.

Оптимальные условия для своего развития непарный шелкопряд находит в изреженных лесах. Опасным вредителем этот вид является особенно потому, что обычно повреждает неравномерно более широкие пространства и в течение градации, как правило, через трех- четырехлетние периоды, распространяется дальше. Периодичность градаций в средней полосе 5-8 лет. Большинство деревьев после повреждений, которые наиболее интенсивны в конце июня и в июле, восстанавливаются и вновь зеленеют. Если же в критическом периоде было очень сухо, погибают отдельные дубы, а иногда и целые дубовые насаждения. При вспышках массового размножения непарный шелкопряд встречается не только в кроне деревьев, но и в жердняках и молодняках.