Валериана представляет собой многолетнее травянистое растение семейства валериановых с коротким вертикальным корневищем, от которого отходят многочисленные корни, а иногда и подземные плети. Стебель валерианы достигает высоты 2 м, бороздчатый, внутри полый. В первый год жизни развивается только розетка прикорневых листьев, на второй год вырастает облиственный стебель с цветками.
Листья супротивные или в мутовках по 3-4, обычно непарноперистые, состоят из 3-11 листочков различной формы. Листья валерианы обладают сильной изменчивостью: нижние, стеблевые и прикорневые. Цветки валерианы лиловые, бледно-розовые или почти белые, обоеполые, мелкие, душистые, собраны в разветвленные щитковидные соцветия.
Чашечка слабо развита, венчик воронковидный с пятилопастным отгибом, тычинок 3, пестик с нижней трехгнездной завязью. Плоды валерианы мелкие плоские продолговатые семянки бурой окраски с хохолком в 1,5 раза длиннее семянки, образовавшимся из разросшейся после цветения чашечки. Цветет валериана в мае-августе, плоды созревают в июле-сентябре.