Одно-двулетнее растение с ветвистым стеблем высотой 20-70 см. Нижние листья перистолопастные или тройчатые, с черешками, рано отмирающие; средние и верхние —линейные, сидячие. Соцветия — корзинки, которыми заканчиваются стебли и ветви. Обёртки 12-15 мм длиной и 5-9 мм шириной. Краевые цветки в корзинках крупные, воронко-видные, голубые, бесплодные; внутренние — более мелкие, трубчатые, фиолетовые, обоеполые. Плоды — продолговатые серые семянки длиной до 4,5 мм с рыжеватым хохолком. Цветёт в июне-августе, плоды созревают в августе-сентябре.
Встречается во многих регионах Евразии и Северной Америки. В нашей стране широко распространён в европейской части, южных районах Сибири и Дальнего Востока. В Средней России василёк синий обычен во всех областях.
Типичные местообитания: посевы ржи, пшеницы, других зерновых и пропашных культур, молодые залежи, плохо обрабатываемые пары. Обладает выраженной способностью приурочивать свой цикл развития к циклу развития засоряемых им хлебов. В связи с улучшением агротехники и применением гербицидов на многих полях василёк исчез совсем или его численность резко уменьшилась. Этот сорняк издавна используют с лечебными целями. Медицинское применение имеют краевые цветки. Настой из них употребляют как мягко действующее мочегонное средство при заболеваниях почек и мочевого пузыря. В народной медицине цветки василька используют при лечении многих других заболеваний, в том числе в виде примочек при некоторых глазных заболеваниях.
Встречены в Средней России ещё два сегетальных однолетних вида с цельными листьями: в Калужской области — Василёк солнечный с жёлтыми цветками, а в Московской и Тульской областях — В. иберийский с розовыми цветками. Из числа довольно редких для Средней России видов василька, имеющих хотя бы отдалённое сходство с васильком синим, следует назвать также два многолетника с синими цветками, у которых краевые цветки в корзинке крупные: в культуре распространён — Василёк горный с многочисленными зелёными листьями, поднимающимися по стеблю до корзинок, а дикорастущим встречается в степях Воронежской области — В. донской, отличающийся густым опушением (растение серо-зелёное); верхние стеблевые листья у него заметно мельче других.
