天麻茎单一，直立，圆柱形，高30～150厘米，黄褐色，下部疏生数枚膜质鞘。无绿叶，叶鳞片状，膜质，互生，下部鞘状抱茎。地下块茎肥厚，长椭圆形、卵状长椭圆形或哑铃形，长约10（-20）厘米，粗3-5（-7）厘米，肉质，常平卧；有均匀的环节，节上轮生多数三角状广卵形的膜质鳞片。总状花序顶生，花期显著伸长，长30－50厘米，具花30-50（-100）；苞片膜质，长圆状披针形，长约1-1.5厘米，与子房（连花梗）近等长；花淡绿黄、蓝绿、橙红或黄白色，近直立，花梗长3一5毫米；萼片与花瓣合生成花被筒，筒长约1厘米，口部偏斜，直径5-7毫米，顶端5裂；萼裂片大于花冠裂片；唇瓣白色，先端3裂；唇瓣藏于筒内，无距，长圆状卵圆形，长约7毫米，上部边缘流苏状；合蕊柱长5～6毫米，子房下位，倒卵形，子房柄扭转，柱头3裂。蒴果长圆形或倒卵形，长1.2～1.8厘米，直径8一9毫米。种子多而极小，成粉末状。花期6～7月，果期7～8月。
