牡丹叶当归，多年生草本。
根长圆柱形，粗1-2厘米，外皮棕褐色，断面黄白色，疏松，纤维性，有香气。
茎直立，高60-150厘米，粗0.5-1厘米，带紫红色，有细纵沟纹，光滑无毛。
叶一至二回三出式羽状分裂，根生叶与茎生叶形状相同，叶片三角状卵形，长10-15厘米，宽13-18厘米，叶柄长5-15厘米，基部膨大成管状鞘，宽1-1.5厘米，厚膜质，带紫红色，光滑无毛，或有稀疏的白色粉粒，两面无毛；
羽片2-3对；
末回裂片位于下部的有短柄，上部的无柄，长卵形，常3深裂，长2-4厘米，宽1-3厘米，表面淡绿色，背面灰绿色，两面光滑无毛，顶端尖锐，基部楔形，边缘有锯齿3-5；
茎顶部叶多简化成短管状叶鞘。
复伞形花序，花序梗长10-15厘米，无毛；
伞辐17-30；
总苞片3至数个，线状披针形，膜质；
伞形花序有花14-26；
小总苞片4-8，线形，膜质，与花柄等长式略短，花柄无毛或稍有短糙毛；
花黄绿色或微带紫色，萼齿不明显，花瓣卵圆形，顶端稍凹入，花柱短而外折，花柱基扁圆锥形。
果实长圆形，长5-7毫米，宽3-4毫米，背棱线形，稍隆起，侧棱宽翅状，薄膜质，比果体狭，棱槽中有油管1，合生面油管2。
花期6-8月，果期7-9月。