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。多くのアジサイ類が初夏から梅雨期に見頃となる中、タマアジサイは晩生で、立秋の頃から秋にかけて見頃となります。
葉は大きく、対生し、鋸歯（葉縁のギザギザ）は細かく、光沢がありません。
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。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。