天麻在植物分类学上属兰科天麻属多年生草本植物。天麻植株由地上花茎和地下块茎组成，无根、无绿色叶片，高30~150cm，高者可达200cm。
天麻的花茎单生，圆柱形，直径0.5~2.5cm，高30~150cm。一般有7节或更多，多有白色条纹，没有绿色叶片，只有退化了的小鳞片。鳞片膜质，互生，浅褐色，上部展开分裂为二，下部鞘状抱茎。
天麻块茎生地下，肉质肥大，呈长椭圆形、长扁形，皱缩而弯曲，大小不一，单个鲜重1~1000g，或者更大。一般两端钝圆，上端有时带有枯干残茎，下端有凹陷呈圆盘状的根痕，带数枚膜质鞘。外表呈黄白色、黄棕色或黄褐色，全身多纵沟，有油点状的须根痕组成横向环纹。质坚而紧密，不易折断。切面为白色、牙白色或棕黄色，为半透明体，味略甜带辛。
天麻块茎按照发育的阶段分为：
原球茎：由天麻种子发育而来的最小的球茎，与种胚的形态相似，呈球状尖圆形，长度0.4~0.7mm，直径0.3~0.5mm,纵切面器官分化不明显，但有组织分化。 米麻：小的块茎，似豆粒大小，生产上用作种麻。
白麻：不具花茎芽的较大块茎，生产上用作种麻，大个头的用作商品麻。
箭麻：具顶生花茎芽的块茎，因其形似箭而得名。箭麻可加工入药作商品麻或经过培育抽茎开花结果，进行有性繁殖。
花：顶生总状花序，苞片膜质，花序长5~50cm，有30~60朵花。花淡黄绿色或黄色，合生成歪状花筒，花苞片长圆状披针形，长1.0~1.5mm，膜质；花梗和子房长7~12mm，略短于花苞片；花扭转，橙黄、淡黄、蓝绿或黄白色，近直立；萼片和花瓣合生的花被筒长约1cm，直径5~7mm，近斜卵状圆筒形，顶端具5枚裂片，两枚侧萼片合生处的裂口深达5mm，筒的基部向前方凸出；外轮裂片（萼片离生部分）卵状三角形，先端钝；内轮裂片（花瓣离生部分）近长圆形，较小；唇瓣长圆状卵圆形，长6~7mm，宽3~4mm,3裂，基部贴生于蕊柱足末端与花被筒内壁上并有一对肉质胼胝体，上部离生，上面具乳突，边缘有不规则短流苏；蕊柱长5~7mm，有短的蕊柱足。花药（即花粉）呈块状，为黄色，幼嫩时黏滑、容易被挑起，老后粉状不容易被挑起。
蒴果：天麻蒴果长圆形至长倒卵形，有短梗。长1.4~1.8cm，宽8~9mm。花果期5--7月，表面棕色或淡褐色，具有棕色的斑点和6条纵缝线，顶端常留有花被残基，每个蒴果内有种子20000~30000粒。
种子：天麻的种子细小，长纺锤形粉尘状，表面浅灰黄色，由几十个细胞组成。种子平均长670pm，中部最宽处直径12μ m ，种子由胚及单层细胞的种皮两部分构成，无胚乳。种皮膜质、薄而透明，由一层无色透明的长方形薄壁木化细胞组合而成，常延伸成翅状。尖端孔裂，种胚位于种子中部。胚椭圆形，未分化，胚柄色较深，明显，着生于种皮上。天麻种子成熟后胚仍处于原胚阶段，形状是椭圆形，近珠孔端有一突出的喙状柄。胚平均长180μ m ，直径100μ m ，是由数十个原胚体细胞和分生细胞组成，大略可分5~7层。胚前端分生细胞小，体积大约为其他原胚细胞的1/4，细胞中原生质较浓，细胞核较大，多糖颗粒较小，分生细胞后端为原胚细胞，多糖颗粒较大较多，有细胞质和细胞核。千粒重0.0014克。
未成功授粉的种子，无胚，只有透明的种皮细胞