Лук каратавский – растение с шаровидной луковицей, достигающей в диаметре 2-6 см. Оболочки луковицы серые или черноватые, бумагообразные. Стебель крепкий, высотой до 25 см, часто погруженный в землю на 1/3 или 1/2 часть. Листья ланцетовидные или эллиптические, гладкие по краю, всегда длиннее стебля. Цветки собраны в шаровидные, густые, многоцветковые соцветия. Околоцветник звездчатый, розово-фиолетовый. Листочки околоцветника тупые, линейные, со временем слегка скручиваются и отгибаются. Плод – обратнояйцевидная коробочка.