L'espèce présente une grande variation de formes (phénotypes) qui traduisent une variabilité intraspécifique et peut-être des effets de la toxicité des différents milieux et micromilieux qu'elle colonise ainsi que les conséquences de ses regroupements en petits isolats génétiques qui favorisent une dérive génétique. Son principal critère externe d'identification est la couleur violette à noire des anthères après la floraison (caractère également présent chez Thlaspi virens (qui a cependant des pétales plus longs).
Elle est pérenne ou bisannuelle, et se présente généralement avec des feuilles en rosette basale (isolées et simples), surmontée d'une hampe florale de 10 à 35 cm portant de petites fleurs blanches.
En hiver les bourgeons sont à hauteur du sol, comme chez d'autres hémicryptophytes.
Les feuilles caulinaires sont en forme de cœur allongé engainant la tige.
La plante fleurit d'avril à juillet, selon l'exposition et l'altitude. La fleur typique des crucifères (4 sépales, 4 pétales en croix, 6 étamines et 2 carpelles) ; mesurant de 3 à 4,5 cm de diamètre, avec inflorescence en corymbe. Riley estimait en 1956 que le pollen de cette espèce est trop lourd pour une pollinisation par le vent (anémophile), ce qui est discuté, car l'observation montre que la plante est visité par divers pollinisateurs. Une fécondation croisée existe dans un faible pourcentage des cas, et seulement avec des individus proches, ce qui favorise une faible diversité génétique.
Le style sort de la fleur avant l'ouverture des pétales. Le stigmate est alors réceptif au pollen mais les anthères ne sont pas encore matures. Seule l'allofécondation est possible à ce stade. Si elle ne se fait pas, quand les anthères sont mûres, il peut y avoir autopollinisation, ce qui permet la survie de petite population. Le manque de diversité génétique étant compensé par la capacité de survie en milieu pollué.
Les fruits sont des siliques (fruit sec et déhiscent) produits dans une enveloppe en forme de cœur.
Les graines (dites barochores) tombent au sol et peuvent localement être transportées par quelques animaux ou une forte pluie et/ou un cours d'eau. Exceptionnellement, selon Ridley, des inflorescences entières peuvent se séparer de la plante et être déplacées sur quelques distances par le vent.
Comme pour d'autres plantes trouvées sur les friches, l'homme (mineurs, camions, wagons, etc.) a probablement contribué à disséminer les populations des sites métallifères et Koch (1998).
C'est pourquoi Thlaspi caerulescens est une des plantes les plus utilisées en phytoremédiation de sols pollués par le cadmium.
Les mécanismes précis d’absorption du cadmium ne sont pas encore bien compris.
Le fait d'accumuler des métaux a un coût (énergie, métabolisme...) pour la plante mais semble aussi être un avantage sélectif pour une population d'accumulatrices ou d'hyperaccumulatrice face aux herbivores (invertébrés, oiseaux, mammifères...) qui consomment moins la plante ou qui en meurent.
En termes d'interactions durables, cette espèce peut être parasitée et consommée par de nombreux herbivores. Elle ne supporte pas les fortes perturbations physiques, en particulier par le bétail sauf si le pâturage est très extensif (Braschler & Jousset 2002). Elle joue un rôle très particulier dans les écosystèmes ou milieux qu'elle occupe, en tant que bioaccumulatrice. Elle est caractérisée par une stratégie de reproduction de type K avec notamment un pourcentage élevé de succès de germination. (93,58 % de 120 graines observées par Riley et moins quand la graine résulte d'une autofécondation).
Pour le Phytosociologue, elle est souvent - en zones métallifères - associée à deux caryophyllacées, Minuartia verna et Silene cucubalus (Ingrouille & Smirnoff 1986).