Słonecznik bulwiasty to wieloletnia roślina zielna dorastająca do 1,5-3 metrów wysokości z przeciwległymi liśćmi w dolnej części łodygi, a naprzemiennie ustawionymi w jej górnej części.

Liście są szorstkie i włochate. Kwiaty słonecznika bulwiastego są żółte, zebrane w koszyczki, o lekko waniliowo-czekoladowym zapachu. Owocem jest niełupka o długości 5-7 mm.

Część podziemną rośliny tworzą cienkie, włókniste korzenie oraz sznurkowate, białawe rozłogi podziemne osiągające około 1,2 metra długości. Na ich końcach powstają podziemne bulwy pędowe o elipsoidalnym lub gruszkowatym kształcie.