หอมหัวใหญ่ จัดเป็นพืชล้มลุก มีความสูงประมาณ 30-40 เซนติเมตร มีหัวอยู่ใต้ดินคล้ายหัวหอม ลักษณะกลมป้อม มีเปลือกนอกบาง ๆ สีม่วงแดงหุ้มอยู่ แต่เมื่อแห้งแล้วจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล ส่วนกลางของหัวจะเป็นลำต้นที่แท้จริง มียอดของลำต้นเจริญออก ซึ่งอาจมีได้มากกว่า 1 ยอด ในต้นเดียว ส่วนรากของหอมหัวใหญ่มีระบบเป็นรากฝอย รากมีขนาดเล็กสีน้ำตาล สามารถหยั่งลงลงดินได้ 15-20 ซม. และรากแพร่ออกด้านข้างได้ 20-40 ซม. มีจำนวนรากมากกว่า 20-100 ราก 

ใบเป็นใบเดี่ยว ออกเป็นกระจุก 3-4 ใบ ลักษณะเป็นรูปดาบ ข้างในกลวงมีความกว้างประมาณ 2-4 เซนติเมตร และยาวประมาณ 20-40 เซนติเมตร เส้นใบจีบตามยาวลักษณะคล้ายพัด 

ดอกหอมหัวใหญ่ จะเจริญออกตรงกลางของลำต้นแทนที่ของใบ ดอกจะออกเป็นช่อ แต่ละช่อมีดอกได้มากกว่า 50 ดอก ดอกประกอบด้วยก้านดอกทรงกลม ยาว ได้มากกว่า 30 ซม. ด้านในก้านกลวงเป็นรู ถัดมาเป็นดอก โดยดอกตูมจะมีกลีบเลี้ยงหุ้มคลุมดอกไว้หมด เมื่อดอกบาน กลีบเลี้ยงจะปริออก โผล่เป็นกลีบดอกออกให้เห็น กลีบดอกมีจำนวน 6 กลีบ ภายในดอกมีเกสรตัวผู้ 6 อัน มี 2 ชั้น แต่ละชั้นมีกลีบเท่ากัน และมีเกสรตัวเมีย 1 อัน โดยดอกจะทยอยบานจากล่างขึ้นบน 

เมล็ดหอมหัวใหญ่มีขนาดเล็ก สีดำ เมล็ดมีลักษณะเป็นพู 3 พู แต่ละพูมีเมล็ด 1-2 เมล็ด