Los girasoles son plantas anuales (como lo indica su nombre específico latín: annuus) que pueden medir tres metros de alto. Los tallos son generalmente erectos e hispidos. La mayoría de las hojas son caulinares, alternas, pecioladas, con base cordiforme y bordes aserrados. La cara inferior es usualmente más o menos hispida, a veces glandulosa y la superior glabra. El involucro es hemiesférico o anchado y mide 15-40 mm y hasta más de 20 cm. Las brácteas involúcrales llamadas filiaros se encuentran en número de 20-30, y hasta más de 100, ovaladas a lanceoladas —brutalmente estrechadas en el ápice— nerviadas longitudinalmente, con el borde generalmente hispido o hirsuto, al igual que sus caras exteriores, raramente son glabras. Receptáculo con escamas centimétricas tridentadas, con el diente mediano más grande y la punta hirsuta. Las lígulas, en número de 15-30, y hasta 100, de color amarillo a anaranjado hasta rojas, miden 2,5-5 cm; los flósculos, de 150 hasta 1000, del mismo color con los estambres pardos-rojizos. Los frutos son aquenios ovalados, algo truncados en la base, de 3-15 mm de largo, glabros o casi, estriados por finísimos surcos verticales, de color oscuro, generalmente casi negras —aunque pueden ser también blanquecinas, rojizas, de color miel o bien moteados o con bandas longitudinales más claras—. El vilano consiste en dos escamas lanceoladas de 2-3,5 mm acompañadas, o no, de hasta cuatro escamitas obtusas de 0,5-1 mm, todas tempranamente caedizas,⁴​ (como lo indica su nombre específico latín: annuus).

Las flores estériles de la periferia simulan grandes pétalos para atraer a los polinizadores y las hermafroditas del centro son las que formarán la desendencia. Esta característica la comparte con todos los parientes de la familia botánica Asteraceae.