天山海罂粟，一年生草本，高10-20厘米。
主根圆柱状，延长，上部粗2-4毫米。
茎直立，二歧状分枝，具白粉，无毛。
基生叶多数，叶片轮廓倒卵状长圆形，长4-8厘米，宽1-5厘米，羽状浅裂，裂片宽卵形，边缘圆齿状，先端具刚毛状短尖头，两面无毛，具白粉；
叶柄扁平，长1.5-2.5厘米；
茎生叶轮廓卵状近圆形，长2-4厘米，宽1-3厘米，基部心形，抱茎，边缘具浅波状齿。
花单生于茎和分枝先端；
花芽纺锤形，长1-2厘米，粗4-7毫米，通常具乳突状皮刺；
花瓣宽倒卵形，长约2厘米，橙黄色，基部带红色；
雄蕊长0.6-1.1厘米，花丝丝状，向基部渐增粗，花药长圆形，长约1.8毫米；
子房圆柱形,长约1.5厘米，近无毛，花柱近无，柱头2裂。
蒴果线状圆柱形，长10-16厘米，粗约2毫米，疏被近圆锥状皮刺，成熟时自基部向先端开裂；
果梗粗壮，长0.5-1厘米，具多数种子。
种子肾状长圆形，长1.7-2毫米，种皮呈蜂窝状，黑褐色。
花果期5-7月。
