双蕊兰是多年生腐生草本植物，高17-24厘米；根状茎短而弯曲，粗约2.5毫米，具稍肉质的细根。茎直立，圆柱状，不分枝，粗4-5毫米，乳白色；无绿叶；鞘4枚，互生，膜质，圆筒状，稍胀大，长2-3厘米，无毛，先端斜卵状。

总状花序长6-8厘米，具17朵花；花直立，淡绿色，几不扭转，具乳头状短柔毛，花梗长4-6毫米；苞片披针形，长7-8毫米，膜质；萼片与花瓣均离生，斜展，萼片3，长圆状披针形，长约3.5毫米，宽1.5毫米，侧花瓣3，与唇瓣相似，近长圆形，比萼片略短而狭；蕊柱直立，连同花药长2.5毫米，无蕊喙；能育雄蕊2枚，着生于蕊柱顶端，直立，1枚与中萼片对生，另1枚与中央花瓣（唇瓣）对生，花丝极短，花药近卵形，2室，长约0.6毫米，宽0.4毫米，花粉成团状，每药室1个；柱头顶生，近盘状，子房椭圆形，长约4毫米，宽2.5毫米，胚珠多数。