Диаметр клетки около 10 микрометров, плавает при помощи двух одинаковых (равных) жгутиков, расположенных на суженном переднем конце. Возле основания жгутиков имеются две небольшие сократительные вакуоли. Основной компонент клеточной стенки — гликопротеины, богатые гидроксипролином. В клеточной стенке также присутствует растворимая фракция моносахаридов и олигосахаридов. Вопреки данным ранних работ, целлюлоза в ней отсутствует. Хлоропласт крупный, чашеобразный, содержит крупный пиреноид и светочувствительный глазок (стигму). Обычные (немутантные) штаммы Chlamydomonas могут расти на простой культуральной среде, содержащей неорганические соли, на свету используя фотосинтез для обеспечения клетки энергией. Также могут расти в полной темноте, используя в качестве источника углерода ацетат.
С. reinhardtii, так же как и другие представители рода Chlamydomonas, имеет сложный жизненный цикл. Гаплоидные вегетативные клетки размножаются митозом. В условиях недостатка питательных веществ (например, азота) они многократно делятся митозом, образуя половые клетки — гаметы. Затем разнородные гаметы попарно сливаются, образуя диплоидные зиготы. Зигота окружена плотной клеточной стенкой, что позволяет пережить неблагоприятное время. При наступлении благоприятных для жизни условий зигота делится мейозом на 4 гаплоидные вегетативные клетки.