绿球藻多年生沉水草本。藻体呈丝状聚生，多形成松散的球形或不规则绿色团块，直径1-30厘米，漂浮于水底，以基细胞固着于基质上。丝状体细长，长1-3厘米，具分叉，深绿色，纤细柔韧； 顶端分叉互生，基部分叉对生，基部又与主轴呈直角状，顶页部分枝与主轴呈锐角状。细胞长圆柱形，细胞壁厚，分为3 层，内层为纤维素，中层为果胶质，外层为种不溶性物质，或称为几丁质。细胞中央有1个大液泡，载色体网状，壁生， 含多数蛋白核，细胞多核。细胞分裂时，细胞侧壁的中部生出1个环，此环向中央生长，将细胞隔为2个。分枝是从1 个细胞顶端的侧面发生，使分枝常常像二叉状。分枝一般在靠近丝状体顶端的一些细胞里发生。孢子具等长的鞭毛。