川牛膝，多年生草本，高50-100厘米；
根圆柱形，鲜时表面近白色，干后灰褐色或棕黄色，根条圆柱状，扭曲，味甘而粘，后味略苦；
茎直立，稍四棱形，多分枝，疏生长糙毛。
叶片椭圆形或窄椭圆形，少数倒卵形，长3-12厘米，宽1.5-5.5厘米，顶端渐尖或尾尖，基部楔形或宽楔形，全缘，上面有贴生长糙毛，下面毛较密；
叶柄长5-15毫米，密生长糙毛。
花丛为3-6次二歧聚伞花序，密集成花球团，花球团直径1-1.5厘米，淡绿色，干时近白色，多数在花序轴上交互对生，在枝顶端成穗状排列，密集或相距2-3厘米；
在花球团内，两性花在中央，不育花在两侧；
苞片长4-5毫米，光亮，顶端刺芒状或钩状；
不育花的花被片常为4，变成具钩的坚硬芒刺；
两性花长3-5毫米，花被片披针形，顶端刺尖头，内侧3片较窄；
雄蕊花丝基部密生节状束毛；
退化雄蕊长方形，长约0.3-0.4毫米，顶端齿状浅裂；
子房圆筒形或倒卵形，长1.3-1.8毫米，花柱长约1.5毫米。
胞果椭圆形或倒卵形，长2-3毫米，宽1-2毫米，淡黄色。
种子椭圆形，透镜状，长1.5-2毫米，带红色，光亮。
花期6-7月，果期8-9月。
