Цветки находятся на концах стеблей и собраны в корзинки. Лепестки венчика обычно бледно-синего, синего или фиолетового цвета. Верхние листья линейные, цельные. Средние – цельные или с зубчиками ланцетной формы. Нижние — рассеченные.
Семянки с хохолком сдавленно-яйцевидные, гладкие, слабоопушенные. Окраска сероватая, неоднородная в разных частях семянки. Хохолок неопадающий. Щетинки хохолка желто-оранжевые. Длина семянок с хохолком 6–8 мм, длина без хохолка 3-6 мм, ширина до 2 мм. Одно растение образует до 6700 семян. Масса 1000 семянок до 4 г.
При осыпании засоряют почву и частично зерно. Прорастают с глубины не более 7 см, причем недозрелые семена всходят так же хорошо, как и созревшие. Сохраняют в почве всхожесть до 5 лет. В начальный период василек синий очень медленно развивает надземную массу в виде розетки. Однако в это время очень быстро растет корневая система. Растение легко перезимовывает, весной развивается быстрее засоряемой культуры, что дает ему возможность обсемениться до уборки посевов. При весенних всходах семена василька созревают одновременно с семенами засоряемой культуры. Распространению василька синего способствует мелкая некачественная обработка почвы.
