Схожий с дуболистным шелкопрядом (Gastropacha quercifolia) вид, отличающийся от него рядом признаков на всех стадиях развития и встречающийся заметно реже.
Передние крылья волнистые, задние зазубрены. Окраска жёлто-бурая и светло-красноватая, поперечные тёмные линии на передних и на задних крыльях.
Лёт: июнь—июль.
Гусеница уплощённая, основной цвет её — пепельно-серый, по телу идут желтовато-серые пучки волосков и тёмные точки с пятнами.
Личинка тополёвого шелкопряда активна летом. Кокон имеет светлый или бело-серый цвет.