多年生草本，高约30厘米。根状茎块根状，直径约2厘米；地上茎直立，草质多汁，禾秆黄色，顶生1叶。叶为三出或二回三出羽状复叶，草质，小叶具柄，长约2厘米，叶片3深裂至基部，裂片长圆形至长圆状披针形，长3-4厘米，全缘，先端钝圆，上面绿色，背面淡绿色；托叶大，2片，先端2-3浅裂。总状花序顶生，单一，具花5-10朵，花序梗长约8厘米；花梗纤细，下部花梗长2-2.5厘米，上部花梗较短；苞片宽卵形，长约5毫米，宽约6毫米；花淡黄色；萼片5-6，倒卵形，长约5毫米，宽约3毫米，先端钝圆；花瓣6，蜜腺状，长约3毫米，先端平截；雄蕊6，长约4毫米；雌蕊基部具短柄或近无柄，子房卵形，胚珠2-3枚，花柱极短，柱头平截。蒴果扁球形，直径约6毫米，5瓣裂至中部。种子通常2枚，压扁。花期4-5月，果期5-6月。

对环境要求不严格，在土壤瘠薄、砂砾上或荒漠上均可生长。

牡丹草是早春荒漠上返青最早的植物，由于植株矮小，山羊、绵羊采食。其粗蛋白质、粗脂肪和粗灰分含量均较高，是较好的饲用植物之一。