Thiên lý  là một loài thực vật dạng dây leo. Trong thiên nhiên, thiên lý mọc ở các cánh rừng thưa, nhiều cây bụi.

Thân dài 1–10 m, màu lục ánh vàng, khi non có lông tơ, những đoạn thân của năm trước màu xám nhạt, không lông, thông thường có các mấu xốp nhỏ thưa thớt. Cuống lá 1,5–5 cm; phiến lá hình trứng, 4-12 × 3–10 cm, phần gốc lá hình tim với các lõm gian thùy hẹp, nhọn mũi; các gân lá chính 3, gân phụ tới 6 cặp.

Xim hoa kiểu tán (mọc thành chùm), chứa 15-30 hoa; cuống hoa 0,5-1,5 cm, có lông măng. Các lá đài hình mũi mác thuôn dài, có lông măng. Tràng hoa màu xanh lục ánh vàng; ống tràng 6-10 × 4–6 mm, có lông măng bên ngoài, nhiều lông hoặc nhẵn nhụi với phần họng nhiều lông mé trong; các thùy thuôn dài, 6-12 × 3–6 mm, có lông rung. Các thùy của tràng hoa hơi dày, phần gốc hình trứng, nhọn đỉnh, thông thường có khía hay xẻ thùy sâu. Các khối phấn thuôn dài hay dạng thận. Núm nhụy hình đầu. Các quả đại hình mũi mác, 7-13 × 2-3,5 cm, nhẵn nhụi, hơi tù 4 góc. Các hạt hình trứng rộng bản, khoảng 1 × 1 cm, phẳng, cụt đỉnh, mép có màng; mào lông 3–4 cm. Ra hoa trong khoảng từ tháng 5 tới tháng 10, kết quả trong khoảng tháng 10-12.