Тысячелистник — многолетнее травянистое растение высотой 20—80 см со своеобразным запахом, с ползучим разветвленным шнуровидным корневищем, с почти неветвистыми тонкими корнями и подземными побегами, на верхушке которых развиваются крупные прикорневые черешковые листья с ланцетовидным контуром, опушенные, дважды-, триждыперисторассеченные, имеющие двух-, трехнадрезанные сегменты и почти линейные конечные лопасти. Из корневища вырастает стебель, прямой или приподнимающийся, простой или в верхней части немного ветвистый, ребристый, с небольшими очередными сидячими листьями, также мелко рассеченными. Прикорневые листья длиной 10—30 см, с черешками длиной 5—9 см; стеблевые листья длиной 3—15 см.

Соцветия — мелкие многочисленные корзинки длиной 5—7 мм и 3—5 мм в диаметре, многочисленные, собраны в щитки 2— 15 см в диаметре, на верхушке стебля и его разветвлений.

Краевые язычковые цветки пестичные, в числе 5, белые, реже розовые, внутренние трубчатые, обоеполые, желтые, в числе 14—20, обвертки корзинок удлиненно-яйцевидные.

Плод — семянка длиной 1,5—2 мм, продолговатая или обратнояйцевидная, сплюснутая, голая, без хохолка, серебристо-серая.