川牛膝多年生草本，高40~100厘米。主根圆柱形，直径0．8～1．5厘米，外皮棕色。茎下部近圆柱形，中部近四棱形，疏被糙毛，节处略膨六。刑讨生，椭圆形至狭椭圆形，长3～13厘米，宽1．5～5厘米，先端渐尖，基部楔形或宽楔形，全缘，上面密叠倒伏糙毛，下面密生长柔毛；叶柄长0．3～1.5厘米。花绿白色，头状花序数个于枝端排成穗状；苞片卵形，长3～5毫米，干膜质，先端具钩状芒刺；苞腋有花纹朵，能育花居中，不育花居两侧；不育花的花被退化为2～5枚钧状芒刺，能育花的花被5，2长3短；雄蕊5，花丝基部密被长柔毛；退化雄蕊5，长方形，狭细，长钓O．3～0．4毫米，宽O.1～0．2毫米。先端齿状浅裂；雄蕊基部外侧围绕孑房丛生的长柔毛较退化雄蕊为长；雌蕊子房上位，1室，花柱细。胞果长椭圆状倒卵形，长2～5毫米，种子卵形。花期6～7月。果期8～9月。
头花蒽草:形态与川牛膝相似；其主要特征：叶呈广卵形、倒卵形，亦有椭圆形者。头状花序近单生，或近中央顶生者有数个作短穗状排列；退化雄蕊较粗大，长0．5～1毫米，先端深裂，常呈撕裂状或流苏状，时有分枝；雄蕊基部外侧丛生的柔毛较稀，且较退化雄蕊为短或等长。
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