主に東北南部から関東・中部地方の太平洋側山地の日陰がちな場所に生育する落葉低木で、日本の固有種です。他のアジサイ類よりも開花期が遅く、梅雨明け後の盛夏から初秋に見頃となります。今年（2023）年は7月下旬より咲き始めました。
咲く前の花序は、全体がひとつの球形にまとまっており、玉（球）紫陽花の名の由来となっています（左手奥にオフフォーカスで写り込んでいます）。開花時には球を覆う苞葉が、鱗が剥がれるように落ち、個々の花が現れます。
白い装飾花と、明紫色の普通花（中心部に集まる、果実を結ぶ花）の対比が涼やかな花序です。まれに、普通花も白色を呈する個体が、西多摩の山間部などでみられます。
なおアジサイの仲間（アマチャ、ガクアジサイ、ガクウツギ、ノリウツギなど）はいずれも、新しい分類体系ではアジサイ科とされています。