膜叶马先蒿，多年生草本，干时不变黑色。
根茎多少木质化，节上生有卵状披针形锐头的鳞片，并发出细侧根。
茎长蔓，长达60厘米以上，常数条同发，下部密被灰褐色毛，渐向上则变为两条毛线。
叶均茎出而互生，或在极细的分枝上者对生或亚对生，有长柄，柄长达7.5厘米，扁平有沟纹，沿沟略有细毛，上部之叶柄渐短；
叶片卵状椭圆形至披针状长圆形，长1.5-10厘米，宽达4.5厘米，上面疏被短粗毛，沿中脉及侧脉有点腺，下面无毛而有白色肤屑状物，有明显之网脉，膜质而薄，羽状全裂而在近叶端处为羽状深裂，裂片4-8对，无柄，卵形至卵状长圆形，长0.4-2.5厘米，宽1-12毫米，锐头或微钝，基部不对称，向叶柄的一方强烈延下，缘有羽裂或缺刻状重锯齿。
花均腋生，单个，花梗长0.8-1.5厘米；
萼管状钟形，长5-8毫米，有主脉5条及次脉5条，下部脉上有长毛，前方稍稍开裂，有5齿，齿相等或不相等，多变化，有时叶状而发达，长达3毫米余，有明晰锯齿，有时披针形而几全缘；
花冠长达15毫米，管等于萼的一倍一半或略少，伸直，盔的直立部分基部到盔顶约为6毫米，以直角转折而为含有雄蕊的部分，前方再渐细为伸直的喙，喙长约4毫米，下唇丰满，长达12毫米，侧片斜椭圆形而大，宽为椭圆形而向前凸出、圆头而宽约3毫米之中裂的两倍；
花丝无毛。
蒴果扁卵圆形，长达7毫米，宽5毫米，端极歪斜而有凸尖，为萼所包裹。
