Длина тела номинативного подвида Lucanus cervus cervus (без учёта мандибул): самцов 45—85 мм, самок 25—57 мм, при этом жуки из разных мест могут заметно отличаться друг от друга размерами.   

 Документально подтверждённая рекордная длина пойманного на территории Европы самца номинативного подвида составляла 95 мм (с мандибулами). Самцы обитающих в Турции и Сирии подвидов Lucanus cervus akbesianus и Lucanus cervus judaicus могут достигать длины до 100—103 мм.

Тело относительно крупное, уплощённое, голова сверху плоская. Выражен половой диморфизм — мандибулы самцов, как правило, хорошо развиты и увеличены, намного крупнее, чем у самки. Надкрылья полностью покрывают брюшко. У самцов они коричневого цвета с красноватым отливом, у самок — буро-чёрные. Изредка встречаются особи с тёмно-коричневыми надкрыльями. Надкрылья не опушены. Голова, переднеспинка, щиток, ноги и низ тела чёрного цвета.

   Глаза у самок цельные, у самцов до половины разделены щёчными выступами. Верхняя губа у самца загнута вниз. Голова самца сильно расширена. Усики коленчатые, с длинным стебельком — 1-й членик усика непропорционально большой, а 2-й членик прикрепляется к нему не по центру, а несколько смещаясь вперёд. Булава усиков гребневидная, не смыкающаяся, в зависимости от подвида, может быть четырёх-, пяти- или шестичлениковой. Мандибулы самца развиты очень сильно, превращены в "рога". От основного ствола каждой мандибулы отходят два зубца. Главный зубец на внутреннем крае мандибул находится перед их серединой. Окраска мандибул самцов может варьировать от яркой красно-коричневой до коричневой. Посмертно цвет мандибул всегда изменяется на более тёмный, преимущественно тёмно-коричневый. Задние углы переднеспинки тупые. Передние тазики ног относительно широко отделены друг от друга. Голени задней пары ног имеют несколько зубцов по наружному краю, голени передних ног сверху без рёбер и килей. На передней стороне бёдер передних лапок имеются резко очерченные продольные овальные пятна жёлто-охристо-рыжего цвета, которые образованы густыми короткими волосками.

  Спаривание, длящееся около 2—3 часов, обычно происходит на деревьях. Во время него самец использует свои огромные мандибулы для удерживания самки. Через некоторое время после спаривания самки откладывают яйца. Долгое время считалось, что одна самка способна отложить от 50 до 100 яиц, но новые исследования показывают, что она откладывает лишь около 20 яиц. Для каждого яйца самки выгрызают специальные камеры в гниющей древесине — обычно в старых пнях, дуплах деревьев, подгнивших стволах. Яйца относительно крупные, светло-жёлтого цвета, овальной формы, размером до 2,2—3 мм. Стадия яйца длится 5—6 недель, по другим данным 2—4 недели.

Личинки молочно-белой или кремовой окраски, С-образно изогнуты, достигают к концу своего развития длины 10—13,5 см и диаметра около 2 см, при массе 20—30 грамм. Голова гипогнатического типа, жёлто-бурая или жёлто-красная, с развитыми крепкими челюстями. Головная капсула сильно склеротизирована, наличник отделён от лба швом. Последний членик усиков значительно тоньше предпоследнего. Ноги довольно длинные и примерно равные по длине, буро-каштанового цвета. По бокам сегментов тела расположены крупные дыхальца (стигмы) буро-рыжего цвета. Анальное отверстие 3-лучевое, с очень сильно развитой продольной щелью. Анальный стернит с многочисленными шиповидными щетинками.

  Личинки способны издавать стрекочущие звуки с частотой 11 кГц, вероятно, обеспечивающие им коммуникацию между собой. Звуки издаются при помощи органов стридуляции (стрекотания), которые образованы продольным рядом продолговатых зубцов (pars stridens) на бёдрах средней пары ног и рядом ребристых выступов (plectrum) на вертлугах задней пары ног. Издаваемый звук длится около 1 секунды, иногда повторяется несколько раз.

 Личинки чаще всего развиваются в подземной части стволов и толстых корнях, в пнях старых деревьев, реже — в мощных ветвях. Развитие личинок происходит только в мёртвой древесине, поражённой белой древесной гнилью, — живые, но заболевшие деревья они не заселяют. Питаясь мёртвой древесиной, личинки жука-оленя выгрызают ходы вдоль волокон древесины и способствуют разложению древесных остатков и играют определённую роль в процессах почвообразования. Личинки питаются в основном внутренними частями стволов или корней дуба (Quercus), могут также обитать в древесине бука (Fagus), вяза (Ulmus), берёзы (Betula), ив (Salix), лещины (Corylus), ясеня (Fraxinus), тополей (Populus), липы (Tilia), каштанов (Castanea), каштана посевного (Castanea sativa) и редко плодовых деревьев (груша (Pýrus), вишня (Cerasus), черешня (Prunus avium)). Исключительно редко личинки могут развиваться и в деревьях хвойных пород — сосне (Pinus) и туе (Thuja). Преимущественно заселяет дуб черешчатый (Quercus robur), реже — дуб скальный (Quercus petraea). Личинка весом 1 грамм поедает в сутки 22,5 см³ древесины.

 Развития личинок, в зависимости от климатических условий, составляет от 4 до 6 лет, в среднем 5-летний, максимально до 8 лет. В глубине древесины личинки могут выдерживать морозы до −20 °С, но являются очень чувствительными к недостатку влаги, который сдерживает их рост. Например, в Крыму из-за сухости климата жуки-олени мельче развивающихся на материковой части. Данный вид не является вредителем технической древесины.

  Окукливание происходит в октябре, в т. н. «колыбельке» (камере со стенками из древесных стружек и экскрементов личинки), находящейся в земле, на глубине 15—40 см. Куколка длиной до 50 мм, у самца с большой подогнутой головой и мандибулами. Имаго зимует в колыбельке, где произошло окукливание, и выходит на поверхность в мае — июне.

Плиний упоминает о жуках-оленях в своей «Естественной истории», называя их Lucanus, что означает «обитающий в Лукании» — области в северной Этрурии, которая находится на северо-востоке от Пизы, где их использовали в качестве амулетов. Впоследствии данное название было дано всему роду жуков, к которому относится данный вид. В 1758 году Карл Линней описал данный вид в своём труде «Systema naturæ», дав ему видовой латинский эпитет «cervus», что означает «олень».

Жук-олень является представителем голарктического рода Lucanus, насчитывающего около 50 видов, которые распространены на территории Европы, Юго-Восточной Азии и Северной Америки. Большинство видов рода сосредоточено в Азии. Данный род включает в себя крупных жуков чёрного, бурого, коричневатого цветов с удлинённым уплощённым телом. Самцы всех видов отличаются сильно увеличенными мандибулами (выраженный половой диморфизм). Жук-олень является одним из трёх видов рода, обитающих на территории России, и единственным представителем рода на территории Украины и Белоруссии.

Жуки-олени распространены в Европе, Передней Азии, Турции, Иране и на крайнем северо-западе Казахстана, а также, возможно, в Северной Африке.

В Европе ареал вида простирается на север до Швеции, на юг до южной Франции и Балканского полуострова. Ареал включает также Латвию, Белоруссию, Украину, Молдавию, западную и центральную части Грузии. Вид вымер на территории Дании, Эстонии, Литвы, а также на большей части территории Великобритании.

В России вид широко распространён в европейской части, включая Воронежскую и Белгородскую области. Северная граница ареала на территории России проходит примерно через Псковскую, Курскую, Самарскую области, Тульскую, Московскую, Рязанскую области, республику Чувашию и Башкирию (на северо-востоке), южная — Краснодарский и Ставропольский край, юго-восток европейской части (включая Волгоградскую область). Распространён на восток до Поволжья и Южного Урала, а также на Западном Кавказе.

На Украине вид встречается в отдельных местах почти по всей территории, преимущественно в северных, центральных и восточных частях страны. Нередок на территории Харьковской и Черниговской областей. В Крыму он распространён в основном в горно-лесной части полуострова, однако по долине Салгира проник в степь, где обнаружен в лесопарке возле села Пятихатки Красногвардейского района.

В Белоруссии вид встречается преимущественно в дубравах Полесья. В центральной и северной частях страны находки жука являются редкими и единичными. Отмечен в Беловежской пуще.

Распространение данного вида жуков связано не столько с географическими регионами и климатическими зонами, сколько со специфическими биотопами, которые являются типичным местом его обитания. Является мезофильным видом. Жук-олень приурочен к старым широколиственным лесам. Предпочитает широколиственные леса в области дубового пояса, также может встречаться в старых парках, в смешанных лесах с примесью дуба. Заселяет как равнинные, так и горные участки (в частности, на Кавказе), но обычно не поднимается в горах выше 800—900 м н. у. м.

Вариабельность внешнего вида: