ข้าวเย็นเหนือเป็นไม้เถาเนื้อแข็ง เหง้ารูปทรงกระบอก กว้างประมาณ ๕ ซม. ยาว ๑๐-๑๕ ซม. แบนและเบี้ยวเล็กน้อย ผิวสีน้ำตาลแดง ภายในสีน้ำตาลอมเหลือง เถามีเส้นผ่านศูนย์กลาง ๐.๓-๑ ซม. ยาว ๑-๕ ม. คดไปมา เกลี้ยงหรืออาจมีหนามโค้งประปราย ยาว ๑.๕-๒ มม.
ใบเดี่ยว เรียงเวียน ห่างกัน ๒-๗ ซม. รูปร่างและขนาดแตกต่างกันมาก ส่วนใหญ่รูปค่อนข้างกลมแกมรูปไข่ถึงรูปรีกว้าง กว้าง ๒-๘ ซม. ยาว ๒-๑๒ ซม. ปลายมนเป็นติ่งหนามสั้นถึงเว้าตื้น โคนมน ขอบเรียบ แผ่นใบหนาคล้ายแผ่นหนัง ด้านล่างมีนวล เส้นโคนใบ ๕-๗ เส้น เห็นชัดทั้ง ๒ ด้าน เส้นใบย่อยแบบร่างแห ก้านใบเป็นเหลี่ยมคล้ายรูปสามเหลี่ยม ยาว ๑-๑.๕ ซม. โคนเป็นกาบยาว ๐.๖-๑ ซม. มีปีกบาง รูปขอบขนานหรือรูปขอบขนานแกมรูปใบหอก กว้าง ๑-๒ มม. ปลายมน มีมือพันออกเป็นคู่ที่ปลายของกาบใบ ยาวได้ถึง ๑๕ ซม.
ดอกแยกเพศต่างต้น ช่อดอกแบบช่อซี่ร่ม ออกเป็นช่อเดี่ยวตามซอกใบตอนล่างของกิ่งอ่อนที่มีอายุประมาณ ๑ ปี ช่อดอกกว้าง ๑.๕-๒ ซม. ก้านช่อดอกยาว ๑-๔ ซม. มีใบประดับย่อยขนาดเล็กหลายใบ ก้านดอกยาว ๐.๒-๑ ซม. แต่ละช่อมี ๑๐-๒๕ ดอก สีเขียวถึงสีเขียวอมเหลือง กลีบรวม ๖ กลีบแยกกัน เรียงเป็น ๒ ชั้น ชั้นละ ๓ กลีบ ดอกเพศผู้รูประฆัง เส้นผ่านศูนย์กลาง ๐.๓-๑ ซม. กลีบรวมชั้นนอกรูปรีแกมรูปใบหอก กว้าง ๑.๘-๒.๒ มม. ยาว ๔.๕-๕.๕ มม. ปลายค่อนข้างมน เมื่อดอกบานปลายกลีบโค้งกลับลง กลีบรวมชั้นในรูปขอบขนานแกมรูปใบหอกกว้าง ๑-๑.๒ มม. ยาว ๔.๕-๕.๕ มม. ปลายค่อนข้างมนเกสรเพศผู้ ๖ เกสร แยกกัน ก้านชูอับเรณูเรียว ยาว ๓-๔ มม. อับเรณูรูปรี ยาว ๐.๕-๐.๘ มม. ดอกเพศเมียฐานดอกรูปเกือบกลม เมื่อเป็นดอกยาว ๒-๓ มม. และเมื่อเป็นผลยาว ๓-๔ มม. มีวงกลีบรูปไข่แกมรูปใบหอกถึงรูปรี แยกกันและกางออกเมื่อดอกบาน ปลายค่อนข้างมน กลีบชั้นนอกกว้าง ๑.๕-๑.๘ มม. ยาว ๓-๔ มม. กลีบชั้นในกว้าง ๑-๑.๒ มม. ยาว ๓-๔ มม. เกสรเพศผู้ที่เป็นหมัน ๓ เกสร รูปแถบแกมรูปลิ่มแคบ ยาว ๑-๑.๓ มม. รังไข่อยู่เหนือวงกลีบ ทรงรูปไข่ ยาวประมาณ ๒ มม. มี ๓ ช่อง แต่ละช่องมีออวุล ๑-๒ เม็ด ก้านยอดเกสรเพศเมียสั้น ยอดเกสรเพศเมียแยกเป็น ๓ แฉก แฉกยาวประมาณ ๐.๘ มม.
ผลแบบผลมีเนื้อหนึ่งถึงหลายเมล็ด รูปทรงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง ๐.๖-๑.๕ ซม. สุกสีแดง มี ๑-๓ เมล็ด เมล็ดรูปทรงกลมแกมรูปไข่กลับ ยาว ๓-๔ มม. สีม่วงแดง
ข้าวเย็นเหนือมีเขตการกระจายพันธุ์ในประเทศไทยทางภาคเหนือ พบในป่าละเมาะและที่โล่ง ออกดอกเดือนกุมภาพันธ์ถึงพฤษภาคม เป็นผลเดือนกันยายนถึงพฤศจิกายน ในต่างประเทศพบที่จีน ญี่ปุ่น เมียนมาภูมิภาคอินโดจีน และฟิลิปปินส์ ในเอเชียเขตร้อนพบขึ้นบนภูเขาที่สูงจากระดับทะเล ๑,๐๐๐ ม. ขึ้นไป แต่ในจีนและญี่ปุ่นพบขึ้นบนที่ราบโล่งและทุ่งหญ้า.