Кустарник высотой до 1,5 м. Побеги желтоватые или красно-бурые, продольно-угловато-ребристые (1), голые или немного опушённые. Почки голые, маленькие, длиной 1-3 мм, прижатые или немного отстоящие, под цвет побегов или немного ярче (2). Чешуи многочисленные, реснитчатые по краю. Листовой рубец мелкий (3) с 1 следом.

Листья удлиненно-ланцетные или вытянуто-эллиптические, длиной 4-10 см, почти от основания остропильчатые или двоякопильчатые (1), на коротких черешках. Листовые пластинки с сильно выдающимися жилками (2), сверху темно-зеленые или иногда даже блестящие, с обеих сторон голые или снизу по главной жилке опушенные.
Цветки розовые собраны в овально-цилиндрические или пирамидальные многоцветковые метелки (3) длиной 5-12 см, расположенные на концах побегов, реже соцветия округлые, небольшие и обедненные. Веточки соцветия и цветоножки опушены желтоватыми волосками или иногда, как и плоды, почти голые. Цветет с июня по август.
Плоды созревают с июля по сентябрь.

Распространена на севере европейской части страны, в Сибири и на Дальнем Востоке, а за пределами России — в Западной Европе, Монголии, Китае, Корее, Японии и, возможно, в Северной Америке. Растет преимущественно по речным долинам в подлеске хвойных и лиственных таежных лесов, предпочитая местообитания с проточным увлажнением и хорошей аэрацией почвы. Хорошо размножается вегетативно и образует чистые заросли в поймах рек, по берегам озер и на осоковых болотах. По долинам рек заходит на севере в зону тундр, а на юге — в зону степей или поднимается в горы до 1300 м над уровнем моря.

Хозяйственное значение. Как декоративное растение спирея иволистная давно и широко используется в озеленении городов и поселков европейской части от Кировска и Архангельска до южных границ страны, а также в Сибири и на Дальнем Востоке. Устойчива к задымленности и загазованности воздуха, и поэтому рекомендуется для озеленения промышленных территорий.

Сходные виды. На протяжении всего ареала спирея иволистная морфологически очень не однородна. В Сибири часто встречаются растения с белыми цветками, а в Приморье и Приамурье — низкорослые растения с опушенными побегами и более широкими листьями. Последние иногда выделяют как самостоятельный вид — спирея низкая — S. humilis Pojark.