北烏頭是多年生草本植物，塊根圓錐形或胡蘿卜形，長2.5～5厘米，粗7～10厘米。
莖高（65-）80～150厘米，無毛，等距離生葉，通常分枝。莖下部葉有長柄，在開花時枯萎。
莖中部葉有稍長柄或短柄；葉片紙質或近革質，五角形，長9～16厘米，寬10～20厘米，基部心形，三全裂，中央全裂片菱形，漸尖，近羽狀分裂，小裂片披針形，側全裂片斜扇形，不等二深裂，表面疏被短曲毛，背面無毛；葉柄長約為葉片的1/3～2/3，無毛。
頂生總狀花序具9～22朵花，通常與其下的腋生花序形成圓錐花序；軸和花梗無毛；下部苞片三裂，其他苞片長圓形或線形；下部花梗長1.8～3.5（-5）厘米；小苞片生花梗中部或下部，線形或鉆狀線形，長3.5～5毫米，寬l毫米；萼片紫藍色，外面有疏曲柔毛或幾無毛，上萼片盔形或高盔形，高1.5～2.5厘米，有短或長喙，下緣長約1.8厘米，側萼片長1.4～1.6（-2.7）厘米，下萼片長圓形；花瓣無毛，瓣片寬3～4毫米，唇長3～5毫米，距長1～4毫米，向后彎曲或近拳卷；雄蕊無毛，花絲全緣或有2小齒；心皮（4-）5枚，無毛。
蓇葖直，長（0.8-）1.2～2厘米；種子長約2.5毫米，扁橢圓球形，沿棱具狹翅，只在一面生橫膜翅。7～9月開花。