Stor hornugle er Europas største ugle — en kraftig, brunspættet krop, store ørentotter og glødende orange øjne. Kropslængden er 59–73 cm, vingefanget hele 138–170 cm og vægten 1.500–3.000 gram, og hunnen er markant større end hannen. Fjerdragten er brunmeleret med kraftig sort stribning, tættest på brystet, mens bugen er lysere end ryggen. De store, udstående ørentotter og de glødende orangegule øjne giver fuglen dens karakteristiske udtryk, og i flugten virker den næsten rovfugleagtig med sine brede, kraftige vinger.
Hannens revirkald er et dybt, dumpt og lydende "huu-hooo", der på stille nætter kan høres flere kilometer væk og lyder mest intensivt om vinteren og det tidlige forår, januar til marts, når territorierne etableres — hunnen svarer med et lysere og hæsere kald. Stor hornugle bygger ingen egentlig rede, men lægger æggene direkte på en beskyttet klippehylde, i en klippesprække eller på jorden under en fremspringende klippe, og hunnen lægger typisk 2–4 æg allerede sidst på vinteren og ruger dem i lidt over en måned, mens hannen jager. Arten er en kraftfuld jæger, der tager et bredt spektrum af byttedyr — fra mus, rotte og pindsvin til hare, kanin og unge ræve, samt fugle som krager, måger, ænder og andre ugler — og jager mest i skumring og mørke. Den er en standfugl, der holder revir hele året, og bestanden er tidligere kommet tæt på udryddelse på grund af forfølgelse og miljøgifte, men har genoprettet sig gennem fredning og opdrætsprojekter, selv om arten fortsat regnes som sårbar.