北陵鸢尾是多年生草本植物，植株基部红棕色，围有披针形的鞘状叶及叶鞘残留的纤维。根状茎较粗，斜伸；须根灰白色或灰褐色，上、下近等粗，有皱缩的横纹。叶条形，扭曲，花期叶长30-40厘米，宽约2毫米，果期长达90厘米，宽2-3毫米，顶端长渐尖，基部鞘状，中脉明显。

花茎平滑，中空，高50-60厘米，有2-3枚披针形的茎生叶；苞片3-4枚，膜质，有棕褐色或红褐色的细斑点，披针形、长5.5-6厘米，宽1-1.2厘米，顶端渐尖，中脉明显花深蓝紫色，直径6-7厘米；花梗长1-5厘米；花被管长约5毫米，外花被裂片倒卵形，长5-5.5厘米，宽约2厘米，爪部狭楔形，中央下陷呈沟状，中脉上无附属物，内花被裂片直立，倒披针形，顶端微凹，长4.5-5厘米，宽1-1.2厘米；雄蕊长约3厘米，花药黄褐色，花丝白色；花柱分枝长约3.5厘米，宽1-1.2厘米，顶端裂片三角形，有稀疏的牙齿，子房钝三棱状柱形，长1.5-2厘米，直径2-3毫米。

蒴果三棱状椭圆形，长4.5-5厘米，直径1.2-1.5厘米，具6条肋，其中3条较明显，室背开裂。花期5-6月，果期7-9月。