Chi Ké đầu ngựa gồm những thực vật thân thảo một năm[5][6], dáng thô, có thể cao tới 20–47 inch (51–119 cm). Lá mọc cách hoặc mọc vòng, có hai dạng hình mác hoặc hình trứng, hình thận, mép lá có nhiều thùy và có răng cưa sâu[5][7][8]. Một số loài như ké đầu ngựa gai X. spinosum có rất nhiều gai, mỗi nách lá đều có một gai màu vàng nhạt mang ba thùy nhọn[9].

Cây có hoa đơn tính: hoa đực nằm ở những nhánh ngắn tại đầu cành, mang nhiều lá bắc xếp thành 1-3 hàng, tràng hoa có mang 5 thùy hình răng, mọc thành cụm hình cầu, đế hoa hình bán cầu có nhiều vảy; hoa cái hình trứng mọc thành cụm tại nách lá, không có tràng, lá bắc dính liền vào nhau ôm trọn lấy hoa[5]. Hạt phấn có kích thước 26-28 micrômét, dạng hình phỏng cầu dẹt ở hai đầu, có hình phác nhìn từ cực dạng tam giác, phân thành 3-4 thùy, lục giác hay ngũ giác, và có 3-4 đường xoi dọc. Gai ngoài hạt phấn gần như bị tiêu biến, chỉ còn là những mấu nhọn hay tù dài không quá 0,6 micrômét[10].

Ké đầu ngựa là cây ngày ngắn[11][12][13][14], chỉ ra hoa vào lúc ngày ngắn-đêm dài vào cuối mùa hè và mùa thu, thường là từ tháng Bảy đến tháng Mười[15] ở Bắc bán cầu. Tuy nhiên chúng vẫn có thể ra hoa quanh năm ở vùng nhiệt đới trong điều kiện độ dài thời gian ngày-đêm được giữ ở mức ổn định[16].

Ké đầu ngựa cho quả hình cầu, mang nhiều gai. Quả ké là quả gai được bao bọc bởi một cái vỏ hình thành từ lá bắc. Các gai này giúp cho quả dễ dàng mắc vào những động vật đi ngang qua và sẽ được các động vật ấy phát tán đi rất xa, có khi hàng dặm[10]. Khi chín, quả sẽ chuyển sang màu vàng, chính vì vậy chi này mang tên khoa học là Xanthium, bắt nguồn từ chữ Hy Lạp xanthos có nghĩa là màu vàng[17].