黑顶卷柏，土生，直立或近直立，基部横卧，高35-55 (-85)厘米，无匍匐根状茎，或游走茎。
根托只生于茎的下部，通常由茎上分枝的腋处下面生出，偶有同时生2个根托，1个由上面生出，长3-10厘米，直径1-2毫米，根多分叉，近无毛。
主茎自近基部开始呈羽状分枝，不呈“之”字形，无关节，绿色或禾秆色，不分枝的主茎高3-5厘米，主茎下部直径2.5-5毫米，茎卵圆柱状或圆柱状，具沟槽，无毛，维管束3条，主茎先端黑褐色，有时分枝的基部叶变黑褐色，侧枝4-6对，1回羽状分枝，小枝较密排列规则，主茎上相邻分枝相距3-5厘米，分枝无毛，背腹压扁，末回分枝连叶宽4.5-5.5毫米。
叶 (主茎上的除外) 交互排列，二形，草质，表面光滑，具虹彩或无虹彩，边缘全缘，略具白边，主茎上的叶排列稀疏，略大于分枝上的，多少二形，绿色，长圆形，背腹压扁，边缘全缘。
主茎上的侧叶明显大于侧枝上的，5.0-6.5毫米×2.0-3.0毫米，长圆状卵圆形，近心形，分枝上的腋叶对称，卵状披针形，2.0-3.8毫米×0.6-1.6毫米，边缘全缘，基部略呈心形。
中叶不对称，分枝上的斜长圆形，1.2-2.5毫米×0.5-1.4毫米，排列紧密，背部不呈龙骨状，先端交叉，先端渐尖或尾尖，基部斜，略近心形，边缘全缘。
侧叶不对称，分枝上的镰形，略向上，排列紧密，3.0-6.0毫米×1.0-2.4毫米，先端近急尖，边缘全缘，上侧基部不扩大，不覆盖小枝，上侧边缘全缘，基部下侧略膨大，下侧基部全缘。
孢子叶穗紧密，四棱柱形，单个或成对生于小枝末端，5.0-35毫米×1.0-3.0毫米；
孢子叶一形，卵状三角形，边缘全缘，具白边，先端渐尖，锐龙骨状；
大孢子叶分布于孢子叶穗中部或基部的下侧。
大孢子褐色；
小孢子淡黄色。
