直萼黄芩是多年生草本植物；根茎通常横行或斜向，纤细，匍匐，粗1-1.5毫米，多分枝。茎直立，高6-25厘米，多数，锐四棱形，基部通常粗1毫米，被向上紧贴的短柔毛但在棱上较密，有时几无毛，大多不分枝或下部有少数分枝，但偶有下部多数分枝。

叶具极短的柄，柄长不到1毫米；叶片草质，在茎下部者较密集，卵圆状披针形至卵圆形，在茎上部者线形，长1-2.1厘米，宽2.2-5.5（7）毫米，顶端钝或圆形，基部圆形或阔楔形，边缘极全缘，稍内卷，两面均被稀疏的微柔毛，下面密生凹点，侧脉2-3对，与中脉均上面凹陷下面凸起，斜上升。

花序总状，顶生，通常占茎长一半以上，长3-19厘米；苞片线形，向上渐变小；小苞片成对在花梗下方，极微小，针形，长1毫米，被缘毛；花梗长1.2-2.5毫米，与序轴均被具腺短柔毛。花萼开花时长1.5-2.5毫米，盾片圆形，高约1毫米，外被具腺短柔毛；果时花萼长4毫米，盾片高2.5毫米，常带紫色。花冠紫至蓝紫色，长1.2-1.7厘米，外面被具腺的短柔毛，内面在上唇片与下唇2侧裂片靠合的缝线上被白色疏柔毛，余部无毛；冠筒近基部前方膝曲，向喉部逐渐增大；冠檐2唇形，上唇盔状，先端微缺，下唇中裂片卵圆形，先端微缺，边缘下卷， 2侧裂片三角状卵圆形，边缘外卷。雄蕊4，内藏，前对较长，具半药，退化半药明显，后对较短，具全药，药室裂口具髯毛，花药紫色，前对花丝在内侧后对花丝在两侧中部以上具白色小疏柔毛。花柱细长，不超出雄蕊，先端细尖，微裂。花盘环状，前方隆起，后方延伸成短子房柄。子房无毛。