Storblomstret brunelle er en flerårig urt med store lilla til blåviolette blomster. Blomsterne er 25-30 mm lange og sidder i en akslignenede blomsterstand. Stænglen er firkantet, hvilket er et kendetegn for både brunelleslægten og læbeblomstfamilien. Planten har en grundstillet bladroset, med ægformede og helrandede blade, der på både over- og underside er ensartet græsgrønne med små hår. På stænglen sidder modsatte små blade, der er ægformede til elliptiske og helrandede eller med uregelmæssige takker langs randen. Stængelbladene er ligeledes græsgrønne og hårklædte. Frugten består af kaplser med få frø i hver. Planten er opret og bliver 5-25 cm høj.