1年生草本,高1~3米。茎直立,粗壮,圆形多棱角,被白色粗硬毛。叶通常互生,心状卵形或卵圆形,先端锐突或渐尖,有基出3脉,边缘具粗锯齿,两面粗糙,被毛,有长柄。头状花序,极大,直径10~30厘米,单生于茎顶或枝端,常下倾。总苞片多层,叶质,覆瓦状排列,被长硬毛,夏季开花,花序边缘生黄色的舌状花,不结实。花序中部为两性的管状花,棕色或紫色,结实。瘦果,倒卵形或卵状长圆形,稍扁压,果皮木质化,灰色或黑色。
向日葵为头状花序,着生在茎的顶端,俗称花盘。其形状有凸起、平展和凹下三种类型。 花盘上有两种花,即舌状花和管状花。舌状花1~3层,着生在花盘的四周边缘,为无性花。它的颜色和大小因品种而异,有橙黄、淡黄和紫红色,具有引诱昆虫前来采蜜授粉的作用。管状花,位于舌状花内侧,为两性花。花冠的颜色有黄、褐、暗紫色等。
向日葵的花瓣长约4~5厘米,宽约1厘米左右。