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向日葵是菊科向日葵屬植物。
高大的壹年生草本植物。莖直立，1到3米高，粗壯，具白色粗硬毛，頂部不分枝或有時分枝。葉互生，心形卵圓形或卵圓形，頂部銳尖或漸尖，主脈三條，邊緣粗鋸齒，兩側毛短而粗，柄長。花頭很大，直徑約10至30厘米，單生於莖或枝末端，常向下傾斜。總苞片是多層的，葉狀，覆瓦狀，卵形到卵狀披針形，頂部尾狀漸細，被剛毛或纖毛覆蓋。花托平或者稍凸，有半膜質托葉。舌狀花多為黃色，有平展的舌，長圓狀卵形或長圓形，不結實。管狀花多數，棕色或紫色，有披針形裂片和果。瘦果倒卵形或卵圓形，稍扁，長10至15毫米，具棱，常被白色短柔毛，頂端有兩膜狀脫落的冠毛。花期7-9月，果期8-9月。
最常見的向日葵的高度為2.5至3.5米，最高可達9.17米。
向日葵的根由主根、側根和須根組成。主根埋藏較深，壹般生長在土壤中約0.3至1.2米深的地方，而美國農業部測量過，曾經有向日葵根長達1.5米。側根由主根長出，橫向生長；側根上有許多須根。側根和須根被根毛覆蓋。主根垂直向下生長，並連接到更小的側根和須根，這有助於該結構支撐向日葵的重量。主根是向日葵的主根，接收植物獲得的大部分養分和水分。向日葵具有發達的根系，根系廣泛而深入地分布在土壤中，其中約60%的根系分布在0-40 cm土層中。向日葵根的生長速度壹直比莖快。根在盤形成前後生長最快。當種子開始成熟時，根停止生長，然後逐漸枯萎。此外，大量的水根(像玉米的氣根)可以在適宜的條件下生長。
與其他壹些花莖不同，向日葵的花莖不能伸出去支撐其他的花，但是花莖支撐著壹朵花。莖可以長到3到5米。向日葵具有雙子葉莖結構。莖圓而直立，表面粗糙，有剛毛。莖由皮層、木質部和海綿髓組成，在植物生長和生命周期的所有階段為植物提供養分和水分。外層稱為表皮，保護莖幹。生長後期，莖木質化，莖內髓形成多層中空。向日葵的胚莖呈綠色、淡紫色、深紫色，是苗期鑒別品種的重要標誌。不同品種間的莖高差異很大，同壹品種的株高受播期和栽培條件的影響也很大。從現蕾到開花，莖的生長速度最快，此時生長高度約占總高度的55%，之後生長速度變慢，僅占5%左右。向日葵的分枝是由遺傳決定的，後者是環境條件造成的。
向日葵葉為雙子葉植物，分為子葉和真葉。壹對子葉。真葉往往在莖下部的節1 ~ 3對生，上部互生。真葉比較大，葉片和葉柄上有短而硬的剛毛，上面覆蓋壹層蠟質。葉片數因品種而異，早熟品種為25 ~ 32片，晚熟品種為33 ~ 40片。莖下部的葉片在開花前制造養分，主要用於根系生長，開花時功能基本結束。中上部葉制造的養分主要供給花盤，促進種子形成。
向日葵是壹種花頭，長在莖的頂端，俗稱花盤。其形狀有凸、平、凹三種。花盤上有兩種花，分別是舌狀花和管狀花。舌形花1至3層，著生於花盤外圍，無性繁殖。授粉發生在向日葵位於盤狀小花外緣的花部分，並更多地向中心移動，向日葵授粉達到成熟後需要長達30天的時間。花朵的顏色和大小因品種而異，有橙色、淺黃、紫紅色等，能吸引昆蟲采蜜授粉。管狀花，位於舌狀花內部，為兩性花。花冠的顏色有黃色、棕色、深紫色等等。
果實為瘦果，習慣稱為種子和瓜子，俗稱葵花籽，可以食用。果實包括果皮、種皮和胚。葵花籽的內部被稱為核仁。這些核仁含有被稱為瘦果的幹果，可供人類食用。這些瘦果形成於植物開花部分的下方，在盤狀小花的下部子房中。除了供人食用，葵花籽還可以用來做動物飼料和制油。科學家們現在正在使用葵花籽生產生物柴油，這是壹種環境安全燃料的絕佳選擇。食用種子長，果皮有黑白條紋，皮厚，占種子重量的40%以上，千粒重為100 ~ 200克。油料種子短小，多為黑皮、薄皮，約占種子重量的20-30%，千粒重40-110g。葵花籽含有38-42%的油，大量的維生素E和38%的蛋白質。