เถาวัลย์แดง เป็นไม้เลื้อยล้มลุก อายุหลายปี ยาว 3-10 ม. ลำต้น ทุกส่วนเมื่อเกิดแผลจะมีน้ำยางสีขาวขุ่น ตามกิ่งอ่อน ก้านใบ และช่อดอกมีขนสั้นสีสนิมหนาแน่น 

ใบเดี่ยว เรียงตรงข้าม ใบรูปรีหรือรีกว้าง ยาว 5-12 ซม. ปลายใบแหลมหรือหยักคอดเป็นติ่งสั้น โคนใบมน ผิวใบด้านล่างมีขนสีสนิม เนื้อใบหนา เส้นแขนงใบข้างละ 6-8 เส้น ปลายเส้นโค้งจรดกันชัดเจน-ไม่ชัดก้านใบ ยาว 1-1.5 ซม. 

ดอก ช่อดอกแบบแยกแขนง ยาว 4-10 ซม. ออกตามซอกใบและปลายกิ่ง กลีบเลี้ยงสีเขียว รูปใบหอก ยาว 3 มม. กลีบดอกด้านในสีเหลือง โคนเชื่อมติดกันเป็นหลอดสั้น สีขาว ยาว 3-5 มม. กว้าง 4 มม. ปลายแยก 5 แฉก รูปใบหอก ยาว 0.8-1 ซม. ปลายเรียวแหลม ขอบกลีบไม่มีขน ที่โคนกลีบมีขนยาว กลีบบิดเวียนซ้าย 

ผลเป็นฝักคู่หรือเดียว รูปทรงกระบอก ยาว 10-18 ซม. กว้าง 1 ซม. ปลายเรียวแหลม มีขนสั้นหนาแน่น ฝักแก่แห้งแตก มีเมล็ดจำนวนมาก รูปแถบ ยาว 1 ซม. ที่ปลายด้านหนึ่งมีพู่ขนสีขาว ยาว 2 ซม.