天山大戟，多年生草本，全株无毛。
根圆柱状，分枝或否，长30-50厘米，直径6-10毫米。
茎基部多分枝，高20-30厘米，略带紫色。
叶互生，于基部鳞片状，紫色或淡红色，长约5毫米，宽约3毫米，密集着生；
茎生叶椭圆形，长2-3厘米，宽1-1.6厘米，先端圆，基部近圆；
无柄或具极短的柄；
叶脉羽状，不明显；
总苞叶5-8枚，宽卵形，长约2.5厘米，宽1-2厘米，先端略窄，基部近圆；
伞幅5-8，长1-4厘米；
苞叶2枚，三角状卵形，长约1.5厘米，宽约1.4厘米，先端渐尖，基部近平截。
花序单生于二歧分枝顶端，基部无柄；
总苞钟状，长与直径均4-5毫米，边缘4裂，裂片三角形，略内弯，边缘及内侧密生白色柔毛，外侧被白色疏柔毛；
腺体4,肾形，基部具短柄，暗褐色，近直立，稀被疏柔毛。
雄花多数，略伸出总苞外；
雌花1枚，子房柄不伸出总苞外；
子房被稀疏短柔毛；
花柱3，中部以下合生；
柱头两裂。
蒴果近球状，长6-7毫米，直径约7毫米，略被稀疏短柔毛，先端具宿存的花柱；
成熟时分裂为3个分果爿。
种子卵球状，淡灰色具褐色纹饰，长约6.5毫米，直径约5毫米，光滑；
具种阜。
花果期6-9月。