西藏虎头兰是附生植物；假鳞茎椭圆状卵形或长圆状狭卵形，长5-11厘米，宽2-5厘米，大部分包藏于叶鞘之内。叶5-8枚或更多，带形，长55-80厘米，宽(1.5-) 2-3.4厘米，先端急尖，关节位于距基部7-14厘米处。

花葶从假鳞茎基部穿鞘而出，外弯或近直立，长65-100厘米或过之；总状花序通常具10余朵花；花苞片卵状三角形，长3-5毫米；花梗和子房长3-5.5毫米；花大，直径达13-14厘米，有香气；萼片与花瓣黄绿色至橄榄绿色，有多条不甚规则的暗红褐色纵脉，脉上有点，唇瓣淡黄色并在侧裂片上具类似色泽的脉，中裂片上则具短条纹与斑点，褶片淡黄色并有红点；萼片狭椭圆形，长(4.5-)5.5-7厘米，宽1.7-2厘米；侧萼片稍斜歪并扭曲。

花瓣镰刀形，下弯并扭曲，长4.5-6.5厘米，宽7-12毫米；唇瓣卵状椭圆形，长4.5-6厘米，3裂，基部与蕊柱合生达4-5毫米；侧裂片直立，边缘有长0.5-1.5毫米的缘毛，上面脉上有红褐色毛；中裂片明显外弯，上面有3行长毛连接于褶片顶端，并有散生的短毛；唇盘上2条纵褶片上亦密生长毛，在两褶片之间尚有1行长毛，但明显短于褶片；蕊柱长3.5-4.3厘米，向前弯曲，两侧具翅，腹面下部有短毛；花粉团2个，三角形，长3-4毫米。

蒴果椭圆形，长8-9厘米，宽4.5-5厘米。花期9-12月。