Winterzwiebeln sind ausdauernde krautige Pflanzen und erreichen eine Wuchshöhe von 30 bis 100 Zentimeter. Die Laubblätter sind rund und hohl, der Stängel aufgeblasen und im Querschnitt rund.
Die zwischen Juni und August gebildeten Blüten sind weiß, die Blütenhüllblätter kürzer als die Blütenstiele, die Staubblätter ragen weit über die Blütenhülle hinaus, die Staubfäden sind einfach und ungezähnt. Die Einzelblüte ist 1 cm groß.
Die Winterzwiebel blüht im Sommer. Sie bildet leicht Samen. Reifezeit des Samens ist Juli bis August, teilweise September. Die gebildeten Samen sind 1 mm dick, 1 bis 2 mm breit und 2 bis 3 mm lang. Das Tausendkorngewicht beträgt 2,1 bis 2,4 g.
Die Pflanze ist horstbildend und entwickelt lange zylindrische Zwiebeln. Die Zwiebel ist weiß. Es sind auch rote und andere Färbungen bekannt. Sie bildet keine Zwiebel im Sinne der Speisezwiebel. Die Form ähnelt der von Porree. Zum Herbst hin bilden sich fast gleichzeitig mit der Hauptzwiebel die Nebenzwiebeln aus, die zur vegetativen Vermehrung dienen. Im Herbst zieht die Pflanze vollständig ein. In Asien sind sehr viele Typen in Kultur, die mehr oder weniger horstbildend sind. Es existieren Typen mit weißer und purpurner Haut. Besonders im asiatischen und afrikanischen Raum sind viele Typen bekannt. So ist in Brazzaville und Kinshasa eine horstbildende Winterzwiebel mit sehr feinen Blättern gebräuchlich, die blüht und Samen bildet. Im Gegensatz dazu bildet die Japanische Winterzwiebel keine Samen aus, wenn sie in den Tropen kultiviert wird. Wild kommt die Winterzwiebel in Deutschland nicht vor.
