Der Knorpeltang besitzt einen aufrechten Thallus von 10 bis 15 (selten 20) Zentimeter Höhe. Seine Färbung ist dunkelrot bis purpurbraun, unter Wasser manchmal bläulich irisierend, bei Exemplaren, die in Felstümpeln starkem Licht ausgesetzt sind, dagegen meist grünlich-gelb. Am steinigen Untergrund ist er mit einer mehrjährigen Scheibe festgewachsen, woraus Thallusbüschel verschiedenen Alters entspringen. Deren unterer stielartiger Teil ist direkt über der Scheibe rund, weiter oben zusammengedrückt. Der Thallus verbreitert sich allmählich in einen flachen, häutig-knorpeligen blatt- oder fächerartigen Teil, der sich wiederholt gabelig teilt und oben abgerundet endet. Die Alge zeigt ein sehr vielfältiges Erscheinungsbild: sie kann bei starker Verzweigung an einen wellig-krausen Schwamm oder an Grünkohlblätter erinnern oder bei geringer Verzweigung flach blattartig aussehen. An den Rändern finden sich gelegentlich kleine Auswüchse. Vermutlich sind die unterschiedlichen Standortbedingungen für die große Variabilität entscheidend.
Wie bei den meisten Rotalgen gleichen sich Gametophyten und Tetrasporophyten. Auf den häufig vorkommenden Tetrasporophyten werden zu jeder Jahreszeit in dunkelroten, flach-warzenförmigen Flecken (Sori) die Tetrasporen gebildet. Diese werden freigesetzt, keimen aus und wachsen zu männlichen und weiblichen Gametophyten heran. Auf den weiblichen Gametophyten entstehen in den jüngeren Thallusabschnitten eingesenkte ovale Fortpflanzungsorgane (Zystokarpien), welche nach Befruchtung der Eizellen die dritte Generation, den Karposporophyten umhüllen. Durch Degeneration der Zellen der Umhüllung werden die Fortpflanzungszellen (Karposporen) frei. Aus ihnen entstehen wieder Tetrasporophyten.
