Корневище ползучее, в верхней части густо покрытое остатками бурых листьев. Стебель высотой 60—80 см, вверху разветвленный, с 2—3 стеблеобъемлющими листьями. Прикорневые листья линейные, длиннозаостренные, зеленые, шириной 3—8 мм и длиной 15—50 см. Соцветие из 2—3 цветков, сидящих на неравных цветоножках. Цветки темно-синие, с короткой трубкой, длиной до 5 см. Наружные доли околоцветника отогнуты книзу, голые, в средней части бледно-синие с темными сине-фиолетовыми жилками, как и внутренние с бледно-синим ноготком. Коробочка продолговато-овальная, туповатая, длиной около 2,5 см, без носика (см. рис. 2).
Распространен в Европе и Малой Азии; в СССР — преимущественно в средней полосе европейской части, на Кавказе, в северо-западных областях Казахстана и на юго-западе Западной Сибири. Растет по сырым и заболоченным, преимущественно пойменным лугам, березовым колкам и их опушкам. К почвам нетребователен, но предпочитает богатые гумусом, , достаточно увлажненные, с нейтральной или слабокислой реакцией. Требователен к свету, но может расти и в условиях незначительного затенения. Может образовывать чистые заросли или доминировать в травяном покрове, но чаще не играет ведущей роли в сложении злаково-разнотравных и разнотравных лугов.
Размножается преимущественно семенами, имеющими высокую всхожесть в весеннее время. Семенные растения зацветают через 3—5 лет. Генеративные побеги вегетативного происхождения закладываются осенью, проходят весь цикл развития за один вегетационный период. Цветут в июне, плоды созревают в июле — августе, осенью побеги отмирают.
Декоративное растение, интенсивно собираемое населением в букеты; нуждается в региональной охране. На пастбище поедается пятнистым оленем. Цветки можно использовать для получения зеленой краски. Успешно культивируется во многих ботанических садах; используется для декоративных посадок в городах и населенных пунктах.
В южной половине Восточной Сибири и на юге Дальнего Востока на пойменных сырых и заболоченных лугах распространен близкий к ирису сибирскому вид ирис кроваво-красный (I. sanguinea Donn), отличающийся коротким, не превышающим листья стеблем, округлыми, резко суженными в ноготок наружными долями околоцветника и продолговатой коробочкой, длина которой в 2—3 раза превышает ширину. Декоративен, используется в селекционной работе.
На пойменных лугах, по берегам водоемов, на травяных болотах в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке широко распространен ирис щетинистый (I. setosa Pallas ex Link) с широкими, 20—25 мм листьями, недоразвитыми, заканчивающимися шипиком внутренними долями околоцветника (цветки кажутся у него трехлепестными), сильно вздутой коробочкой. Неприхотлив и зимостоек; по долинам рек Лены и Колымы заходит за пределы Полярного круга. Вводится в культуру, перспективен для селекционной работы.