黑头灯芯草，多年生草本，高40-70（120）厘米；
具根状茎和须根。
茎直立，圆柱形，直径2-3.5毫米，中空，基部有时具小点状突起。
基部叶早枯落，茎生叶3-4（-5）枚；
叶片圆柱形，具棱条，长8-23厘米，粗1-2.5（-3）毫米，顶端尖，干时有明显的沟槽，具完全横隔；
叶鞘长3-10厘米；
叶耳大，圆钝。
花序顶生，由33-70个头状花序组成，排列成复聚伞状，花序分枝常3-5个，具长短不等的花序梗；
头状花序圆球形，直径约6毫米，含6-16朵花；
叶状总苞片线形，或线状披针形，长7-10厘米，顶端尖，苞片数枚，宽披针形，长1.5-2.2毫米，黄褐色，顶端锐尖，背面中央具1脉；
花具短梗；
花被片披针形，顶端锐尖，黄褐色，背面具1-3脉，内轮3枚较长，长2.5-3毫米，宽0.8毫米，外轮者长2-2.5毫米；
雄蕊6枚，短于花被片，长1.5-2毫米；
花药长圆形，长0.7-1毫米，黄白色；
花丝丝状，与花药近等长或稍短；
子房长卵形；
花柱线形，长约1.5毫米；
柱头3分叉，长约2毫米。
蒴果三棱状卵形，长2.2-2.6毫米，顶端收缩成短喙，棕褐色，1室，无隔膜，胞背开裂。
种子卵形，长0.3-0.5毫米，两端短尖，表面有网纹，黄褐色。
花期7-8月，果期8-9月。