Grote boterbloem is een hoge, overblijvende plant die een lengte kan bereiken van 150 cm. De holle, gearticuleerde wortelstok heeft talrijke onderaardse uitlopers. De in een rozet staande lancetvormige, ietwat gezaagde, grondbladeren zijn tot 40 cm lang en spits. De stengelbladeren zijn tot 15 cm lang. De bladeren zijn stug. De stengel is alleen bovenaan vertakt. De gesteelde bloemen zijn tot 4 cm breed en hebben 5 bijna ronde goudgele kroonbladeren. De bloei gebeurt in juni - augustus. Er worden dopvruchten gevormd met een gebogen snavel. Onder water vormt de plant kleine, eivormige tot tongvormige bladeren, die wanneer de plant diep genoeg onder water staat, groen blijven tijdens de winter. Deze bladeren worden tot 20 x 8 cm groot. Ze zijn niet alleen mooi maar ook nuttig: zuurstofproductie, zelfs onder een helder ijsdek. Deze onderwatervorm treft men vooral in najaar en voorjaar aan. Terwijl in de zomer de bovenwatervorm gevormd wordt.