北乌头是多年生草本植物，块根圆锥形或胡萝卜形，长2.5～5厘米，粗7～10厘米。
茎高（65-）80～150厘米，无毛，等距离生叶，通常分枝。茎下部叶有长柄，在开花时枯萎。
茎中部叶有稍长柄或短柄；叶片纸质或近革质，五角形，长9～16厘米，宽10～20厘米，基部心形，三全裂，中央全裂片菱形，渐尖，近羽状分裂，小裂片披针形，侧全裂片斜扇形，不等二深裂，表面疏被短曲毛，背面无毛；叶柄长约为叶片的1/3～2/3，无毛。
顶生总状花序具9～22朵花，通常与其下的腋生花序形成圆锥花序；轴和花梗无毛；下部苞片三裂，其他苞片长圆形或线形；下部花梗长1.8～3.5（-5）厘米；小苞片生花梗中部或下部，线形或钻状线形，长3.5～5毫米，宽l毫米；萼片紫蓝色，外面有疏曲柔毛或几无毛，上萼片盔形或高盔形，高1.5～2.5厘米，有短或长喙，下缘长约1.8厘米，侧萼片长1.4～1.6（-2.7）厘米，下萼片长圆形；花瓣无毛，瓣片宽3～4毫米，唇长3～5毫米，距长1～4毫米，向后弯曲或近拳卷；雄蕊无毛，花丝全缘或有2小齿；心皮（4-）5枚，无毛。
蓇葖直，长（0.8-）1.2～2厘米；种子长约2.5毫米，扁椭圆球形，沿棱具狭翅，只在一面生横膜翅。7～9月开花。
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