ทานตะวันจัดเป็นไม้ล้มลุก สูง 2-4 เมตร ลำต้นตั้งตรงเป็นแกนแข็ง มีขนสากแข็งสีขาวปกคลุม โดยส่วนใหญ่ลำต้นจะไม่มีแขนง แต่บางพันธุ์ก็อาจมีการแตกแขนง ส่วนขนาดของลำต้นจะขึ้นอยู่กับพันธุ์และสภาพแวดล้อม รากเป็นระบบรากแก้วหยั่งลึกลงไปประมาณ 1-2.5 เมตร และมีรากแขนงแผ่ขยายไปด้านข้างยาวได้ถึง 1.5 เมตร เพื่อช่วยค้ำจุนลำต้น 

ใบเป็นใบเดี่ยว ออกสลับกันตรงข้ามใบเป็นรูปกลมรึหรือรูปไข่ โคนใบเว้าเป็นรูปหัวใจ ปลายใบแหลม ขอบใบหยักเป็นฟันเลื่อย มีขนแข็งสากทั้งสองด้าน ก้านใบยาว โดยขนานของใบจะกว้างประมาณ 8-25 เซนติเมตรและยาวประมาณ 10-30 เซนติเมตร ส่วนสีของใบอาจเป็นสีเขียวอ่อน เขียว หรือเขียวเข้ม แล้วแต่ละพันธุ์ ซึ่งทานตะวัน 1 ต้นอาจมีใบได้ 8-70 ใบ เลยทีเดียว 

ดอก ออกเป็นดอกเดียวบริเวณปลายยอดลำต้น โดยเป็นรูปจานขนาดใหญ่ มีเส้นผ่าศูนย์กลางของดอกประมาณ 6-37 เซนติเมตร (ซึ่งขึ้นกับพันธุ์และสภาพแวดล้อม) ดอกมีลักษณะเป็นแบบช่อดอกประกอบด้วยดอกย่อยเป็นจำนวนมาก ซึ่งแบ่งเป็น 2 ชนิด คือ ดอกย่อยที่อยู่รอบนอกจากดอก เป็นดอกที่ไม่มีเพศ (เป็นหมัน) มีกลีบดอกสีเหลืองส้ม ดอกย่อยที่อยู่ในจานดอก เป็นดอกสมบูรณ์เพศ มีเกสรตัวผู้ที่พร้อมจะผสมได้ก่อนเกสรตัวเมีย ซึ่งกลีบดอกมีลักษณะเป็นรูปไข่ ปลายแหลมมีสีเหลืองสด ส่วนด้านในคือช่อดอก มีลักษณะเป็นจาน ประกอบไปด้วยดอกขนาดเล็กจำนวนมาก กลางดอกมีเกสรสีน้ำตาลอมสีม่วงและภายในมีผลจำนวนมาก โดยในแต่ละจากดอกจะมีดอกย่อยอยู่ประมาณ 700 – 3000 ดอก 

ผลเป็นรูปกลมรีและแบนนูน ด้านหนึ่งมน อีกด้านหนึ่งแหลม ผลมีขนาดประมาณ 6-17 มิลลิเมตร มีเปลือกหุ้มผลแข็ง เปลือกผลเป็นสีเทาเข้มหรือสีดำและเป็นลายในแนวตั้ง ภายในผลมีเมล็ดสีเหลืองอ่อน 1 เมล็ด ลักษณะรียาว