A mocsári gólyahír 15–60 centiméter magas lágyszárú. Gyökérzete sűrű, bojtos. Rövid, sokfejű gyöktörzséből fejlődik ki az eleinte elfekvő, majd felemelkedő, ritkábban felálló, csöves szára, ami a tövénél többnyire pirosas színezetű, kopasz, a felső részén elágazó. Egyszerű, illetve enyhén karéjos, sötétzöld levelei fényesek, bőrneműek, kopaszak; vese alakúak, kerekdedek, szélük csipkés vagy hegyes fogas (néha ép), válluk szíves; a száron szórtan állnak: a tőlevelek nyele hosszú, az alsó szárleveleké rövid, a felső szárlevelek ülnek. 5 (ritkán 7) tagú virágai 3–5 centiméter átmérőjűek, de élénksárga, sötétsárga színük miatt ennél nagyobbnak tűnnek. Az egyébként alul zöldes árnyalatú sárga „szirmok” mégsem sziromlevelek – azok ugyanis hiányoznak a virágából –, hanem a szirmok szerepét átvett, 12–18 milliméter hosszúra megnőtt csészelevelek; vagyis a mocsári gólyahír virágtakarója egykörű. A virágon belül számos porzó és termő fejlődik.
