高粱为一年生草本植物。须根系，根系发达，入土深可达140～170cm，分布范围达70～80cm。在茎基部的2～3节上，生有支持根。高粱的根系几乎比玉米多1倍，所以比玉米抗旱能力强。秆高约1～4m，茎上有节，一般矮秆种仅有8～9节，而高秆种则达14～15节或更多些。茎基部生有蘖芽，发育成分蘖枝。叶无毛，常被白粉；叶舌短，长1～2mm，硬膜质，先端钝圆，具纤毛；叶片披针形，长30～60cm，宽2.5～7cm，无毛，具锐尖粗糙的边缘，基部与叶舌之间被密毛。圆锥花序卵形或椭圆形，紧缩似穗状或略开展，长15～30cm，分枝轮生，上升，小枝梗上着生1至数个成对小穗。在每对小穗中，其中有柄小穗为不完全花，仅有雄蕊，故不结实；无柄小穗为完全花，且较大，能结实；颖片，内有花两朵，上位花为完全花可结实，下位花为退化花，不能结实。籽粒形状一般为卵圆形或椭圆形。颜色有红、黄、白等色。籽粒分为硬质和软质两种。千粒重通常在20～30g之间。染色体2n=20。
种子6～7℃才开始发芽，发芽最适温度20～30℃，在35～40℃时发芽减慢甚至停止。当气温13～15℃时，播后10d左右出苗；而在18℃时，4～6d即可出苗。如果土壤较湿润，并且土温达18～20℃时，则分蘖开始较早。从出苗到分蘖期间，温度适宜，在温度为25～30℃条件下，光合作用最为旺盛。以抽穗到成熟期间，适宜25℃左右的高温，灌浆后温度逐渐降低，则有利于籽实的成熟。在抽穗至开花为高粱生长最迅速的时期，此时需水最多，若缺水，即不能充分发育，影响产量；如果降雨过多，则易造成“瞎穗”。高粱在生长发育过程中，要有充足的日照，特别是灌浆以后，需要充足的日照进行“晒米”，才能得到高的产量和良好的品质。由于高粱是短日照作物，所以由低纬度向高纬度引种会延迟成熟；反之，会早熟。高粱生育期130d左右。
高粱早熟品种在抽穗后2～3d内即开花，而大部分晚熟的品种则在抽穗4～6d才开花。开花时由穗顶开始，因早晨5～6时适合高粱开花所要求的温度（17～18℃）和湿度（60%～80%），所以开花最多。全穗约8～12d开完，以第三至六天开花为最多。高粱开花时往往引起异花授粉，其异花授粉率为3%～5%，所以高粱有一定的天然杂交率，在繁殖良种时要采用隔离措施。
