高粱為一年生草本植物。鬚根系，根系發達，入土深可達140～170cm，分佈範圍達70～80cm。在莖基部的2～3節上，生有支援根。高粱的根系幾乎比玉米多1倍，所以比玉米抗旱能力強。稈高約1～4m，莖上有節，一般矮稈種僅有8～9節，而高稈種則達14～15節或更多些。莖基部生有櫱芽，發育成分櫱枝。葉無毛，常被白粉；葉舌短，長1～2mm，硬膜質，先端鈍圓，具纖毛；葉片披針形，長30～60cm，寬2.5～7cm，無毛，具銳尖粗糙的邊緣，基部與葉舌之間被密毛。圓錐花序卵形或橢圓形，緊縮似穗狀或略開展，長15～30cm，分枝輪生，上升，小枝梗上著生1至數個成對小穗。在每對小穗中，其中有柄小穗為不完全花，僅有雄蕊，故不結實；無柄小穗為完全花，且較大，能結實；穎片，內有花兩朵，上位花為完全花可結實，下位花為退化花，不能結實。籽粒形狀一般為卵圓形或橢圓形。顏色有紅、黃、白等色。籽粒分為硬質和軟質兩種。千粒重通常在20～30g之間。染色體2n=20。

種子6～7℃才開始發芽，發芽最適溫度20～30℃，在35～40℃時發芽減慢甚至停止。當氣溫13～15℃時，播後10d左右出苗；而在18℃時，4～6d即可出苗。如果土壤較溼潤，並且土溫達18～20℃時，則分櫱開始較早。從出苗到分櫱期間，溫度適宜，在溫度為25～30℃條件下，光合作用最為旺盛。以抽穗到成熟期間，適宜25℃左右的高溫，灌漿後溫度逐漸降低，則有利於籽實的成熟。在抽穗至開花為高粱生長最迅速的時期，此時需水最多，若缺水，即不能充分發育，影響產量；如果降雨過多，則易造成“瞎穗”。高粱在生長髮育過程中，要有充足的日照，特別是灌漿以後，需要充足的日照進行“曬米”，才能得到高的產量和良好的品質。由於高粱是短日照作物，所以由低緯度向高緯度引種會延遲成熟；反之，會早熟。高粱生育期130d左右。

高粱早熟品種在抽穗後2～3d內即開花，而大部分晚熟的品種則在抽穗4～6d才開花。開花時由穗頂開始，因早晨5～6時適合高粱開花所要求的溫度（17～18℃）和溼度（60%～80%），所以開花最多。全穗約8～12d開完，以第三至六天開花為最多。高粱開花時往往引起異花授粉，其異花授粉率為3%～5%，所以高粱有一定的天然雜交率，在繁殖良種時要採用隔離措施。