Подмаренник удивительный травянистый многолетник (до 25 см высотой), с тонким ползучим корневищем, укореняющимся в узлах, и четырёхгранными, слабыми, простыми, восходящими голыми стеблями. Листья тонкие, по краю реснитчатые, с обеих сторон рассеянно и коротко опушённые, суженные при основании в длинный черешок. Нижние листья — мелкие, супротивные, с 2 чешуевидными прилистниками, расположенными накрест с листьями; средние и верхние — более крупные, с двумя листовидными прилистниками. Белые цветки собраны в верхушечное малоцветковое соцветие из трёх простых 3-цветковых полузонтиков. Завязи и плоды с длинными, густыми щетинками, крючковидно загнутыми на концах. Плоды обычно двойчатые, реже одиночные. Цветение — июнь-июль, плодоношение — сентябрь.