向日葵是一年生草本植物，高1-3米。主根圆柱状，向下渐狭，具极多数侧根和纤维状细根。茎直立，粗壮，绿色，被白色的具节长硬毛，通常不分枝，稀上部有少数分枝。头状花序极大，直径10-30厘米，生于茎或枝端，常倾斜，因花序随太阳转动而得名。
从生物科学上分析向日葵向日原因是，向日葵植物含有称为生长素的激素。这些荷尔蒙对阳光敏感，尽一切可能寻找阴影。因此，它们从沐浴在阳光下的植物部分迁移到茎中的阴影区域。一旦那里，生长素刺激细胞的生长。这导致茎在阴影区域变得笨重，因此花朵朝向相反的方向弯曲而朝向太阳。当太阳在天空中移动时，生长素也会继续迁移到被遮蔽的茎干部分，通过刺激细胞生长不断使阴影部分变得更加笨重。这就是向日葵继续面向太阳的方式 —— 不断地从茎的较大部分弯曲。不过并非即时的跟随，植物学家测量过，其花盘的指向落后太阳大约12度，即48分钟。太阳下山后，向日葵的花盘又慢慢往回摆，在大约凌晨3点时，又朝向东方等待太阳升起。
当花盘盛开后，就不再向日转动，而是固定朝向东方。
