粗梗水蕨多年生漂浮草本，植株高20-30厘米；叶柄、叶轴与下部羽片的基部均显著膨胀成圆柱形，叶柄基部尖削，布满细长的根。叶二型；不育叶为深裂的单叶，绿色，光滑，柄长约8厘米，粗约1.6厘米，叶片卵状三角形，裂片宽带状；能育叶幼嫩时绿色，成熟时棕色，光滑，柄长5-8厘米，粗1.2-2.7厘米；叶片长15-30厘米，阔三角形，2-4回羽状；末回裂片边缘薄而透明，强裂反卷达于主脉，覆盖孢子囊，呈线形或角果形，渐尖头，长2-7厘米，宽约2毫米。孢子囊沿主脉两侧的小脉着生，幼时为反卷的叶缘所覆盖，成熟时张开，露出孢子囊。染色体2n=78。