Dendrobium polysema es originario de la isla Bougainville, las islas Salomón, las islas Santa Cruz, Vanuatu y Papua Nueva Guinea. En Nueva Guinea, estas plantas se encuentran en Western Highlands, Morobe y Northern Province, donde crecen en árboles cubiertos de musgo en bosques húmedos a 1200-1900 m, pero en otras islas crecen a alturas de 150-700 m. 
Es una epífita de tamaño pequeño a grande, de temperatura calida a fresco, que alcanza los 20-65 cm de altura, con tallos erectos, de 3 a 5 nudos debajo de las hojas, amarillos, de 10-40 cm de largo que llevan, 2, elípticos-oblongos, Hojas erectas a esparcidas, de 10-24 cm de largo. 
Este florece en otoño hasta finales del invierno y luego en la primavera en un racimo erecto, densamente de 8 a 12 flores que surge apical del ápice de un bastón con flores abiertas y aplanadas. Las flores miden 4-6 cm de diámetro. Los pétalos de ambos verticilos a veces son profundamente ondulados. Los pétalos exteriores, densamente cubiertos de pelos en la parte inferior, pueden ser amarillos o verdosos con manchas moradas. Los verticilos interiores tienen un color crema con manchas castañas. La zona donde aparecen las manchas es muy variable. El labio agrandado es dorado con una varita verdosa, que con la edad cambia de color a dorado profundo, luego se desvanece. En el centro del labio hay puntos y rayas morados en los laterales. La antera es verde.