球花雪莲是一种多年生草本，高10-60厘米。根状茎颈部被褐色叶柄残迹。茎直立，绿色或紫色，上部有稀疏或稠密的白色长柔毛和头状腺毛。基生叶有叶柄，叶柄长达14厘米，叶片长椭圆形、披针形或长圆状披针形，长13-20厘米，宽1.5-3厘米，顶端钝、急尖或长渐尖，基部楔形渐狭，边缘有小尖齿，两面有稀疏的褐色糙毛。茎生叶渐小，线状披针形或线形，无柄，基部沿茎下沿；上部苞叶卵状，舟形，紫色，长4-6厘米，宽1-2厘米，膜质，顶端渐尖，边缘全缘，不包围伞房状总花序。

头状花序数个或多数在茎顶排成伞房状总花序，有长的小花梗。总苞钟状或球形，直径1-1.5厘米；总苞片3-4层，顶部长急尖，全部或边缘紫红色，外面被白色长柔毛和腺毛，外层卵状或卵状披针形，长1.4厘米，宽3.5毫米，中层长圆形或长圆状披针形，长1.3厘米，宽3毫米，内层线状披针形，长2.5厘米，宽1毫米。小花紫色，长1.6厘米，管部长5毫米，檐部长1.1厘米。瘦果长圆形，长3毫米。冠毛白色，2层，外层短，糙毛状，长3毫米，内层长，羽毛状，长1厘米。花果期7-9月。