Chez les adultes, le bec est grand, rouge-orange, avec une barre blanche à son extrémité. Le plumage est entièrement noir. Les plumes du dos sont retroussées et le bout des ailes blanc est surtout visible en vol. 
Les juvéniles sont semblables aux adultes mais leur plumage est plus terne et plus nuancé de brun. Les plumes des flancs et du dessus sont teintées de brun grisâtre. Les primaires ont une pointe noirâtre. Le plumage adulte peut être acquis dès la fin de la première année mais la bosse frontale rouge ne se forme qu'au bout de la troisième, voire de la quatrième année.

Le cri typique est claironnant, aigu, assez mélodieux mais pas très sonore. Il est émis aussi bien sur l'eau qu'en vol. Quand ils sont sur l'eau les cygnes noirs ont également un répertoire de cris plus faibles.

Le cygne noir est un oiseau répandu, capable de vivre dans presque tous les milieux humides. Lors de la saison de nidification, on le trouve surtout sur les grands lacs peu profonds, ou à proximité. Le reste de l'année, il fréquente aussi de petits étangs stagnants isolés, les "billabongs", des baies abritées ou des lagunes côtières saumâtres. Le cygne noir est nomade et doté d'un vol puissant. Il peut aisément survoler les terres et sait faire étape sur les lacs ou les zones de culture inondées. Toutefois, là où la nourriture et les sites de nidification sont abondants, le cygne noir se montre casanier. Comptant parmi les oiseaux aquatiques pourvus des meilleurs capacités d'adaptation, le cygne noir recherche d'ordinaire des plans d'eau peu profonds où sa morphologie lui permet de se nourrir commodément.

Les cygnes noirs sont grégaires sauf à la période de reproduction où ils défendent leur territoire en faisant preuve d'une grande agressivité. Il arrive cependant que, sans constituer pour autant une colonie, les nids soient situés à faible distance les uns des autres. A ce moment de l'année, les mâles sont particulièrement virulents et chassent les anatidés et presque tous les autres intrus des environs du nid. Malgré cela, ils n'adoptent pas la posture de menace, ailes arquées, que prennent typiquement les cygnes tuberculés. 
Pour la mue post-nuptiale, les cygnes noirs forment d'énormes rassemblements qui peuvent compter plusieurs milliers d'oiseaux. En mars et en avril, on assiste à des mouvements de dispersion vers le nord, mais ces derniers ne sont pas bien connus. 
Les cygnes noirs viennent rarement à terre car la brièveté de leurs pattes et la longueur de leur corps constituent un handicap et leur donne une allure peu élégante. Les cygnes noirs décollent et atterrissent moins que les autres cygnes car leurs courtes pattes ne leur permettent pas de s'élancer et de prendre de l'élan.

Le cygne noir ne se nourrit que de végétaux et ne capture insectes et autres invertébrés que par hasard. Il mange surtout en nageant en immergeant la tête et le cou pour atteindre les plantes sous la surface. En eau plus profonde, le cygne noir peut aussi basculer le corps, queue pointée en l'air et le cou étendu au maximum pour augmenter ses possibilités. Toutes sortes de végétaux sont consommés dont les lentilles d'eau et des algues. Sur les rives des lacs, le cygne noir patauge en mordillant les plantes s'offrant à portée de son long cou et de son bec puissant rouge. On voit souvent le cygne noir pâturant à l'intérieur des terres, loin de l'eau, poussé par son goût pour les céréales cultivées

La période de reproduction du cygne noir correspond en général avec la saison des pluies. Ainsi, dans le Queensland, au nord-ouest, il peut nicher dès février ; en Australie Occidentale les œufs ne sont pas pondus avant août.

En cas de sécheresse prolongée, le cygne noir ne niche pas du tout. L'espèce construit un gros nid d'ordinaire sur la terre ferme mais toujours près de l'eau. Parfois le nid est installé dans les marais ou même sur un radeau de débris végétaux. Contrairement aux autres cygnes, le cygne noir est étonnamment tolérant à l'égard de ses congénères. Sur des petites îles, il peut exister des colonies de nidification où les nids se touchent presque. Le premier œuf vert pâle est pondu dès le début de l'édification du nid, puis 4 ou 5 autres viennent peu après. Les deux adultes se relaient pour couver durant six semaines. L'incubation ne commence qu'une fois la ponte complète ou presque, et les petits cygnes éclosent ainsi tous en deux ou trois jours. Dès l'éclosion, les premiers poussins quittent le nid et gagnent l'eau sous la surveillance d'un adulte.

Le second adulte attend l'éclosion des autres œufs puis la famille se réunit au complet.