细胞扁平或者复合对称，外被纤维素壳板，可呈现球形、棒状及星角状等多种形态。顶端或者腹面长有两根呈不同形态和运动状态的鞭毛：一条拖曳鞭毛沿着细胞纵沟向后伸出细胞外，另一根以波动膜形式环绕在赤道沟内。这种鞭毛着生形式使虫体能产生螺旋状游泳运动。细胞核通常为单倍体，同源染色体恒为凝缩态且仅包含少数几个组蛋白，染色质不解聚，在分裂间期也是如此。色素类型及存在与否具有高度的多样性，除了叶绿素a和叶绿素c₂外，还包括叶黄素、甲藻黄素、多甲藻黄素以及β-胡萝卜素，这些色素使虫体呈现褐黄色或绿色。质体类型也多样，但一般其外侧均具有由3层膜构成的鞘，这些膜并非内质网的组成部分。贮藏物质为淀粉和脂肪，均在质体外产生。

腰鞭虫大多生活在海洋中，淡水中也有少数分布。大多数营自由生活，也有部分内共生于其他动物体内成为寄生虫。已知现存种类大约2500种，而化石种类超过4000种。腰鞭虫有3种营养策略：光合自养、混合营养和异养。其中光合自养型种类是水体中重要的初级生产者，而异养型种类占总种类数的50%左右。当环境适宜时，一些物种可大量繁殖，在海洋中的上升流区域形成“赤潮”，细胞浓度可超过每毫升100万个。这种情况下，腰鞭虫会产生毒素，毒素可在鱼类、贝类等体内积累，从而对摄食这些生物的人类产生严重伤害。有超过18个属的种类（如夜光虫、膝沟藻）可在昼夜节律的控制下在夜间发出生物荧光，其中大多数发蓝-绿光。许多腰鞭虫通过形成休眠包囊来度过恶劣环境，这些包囊会聚集于海底深处并以微化石形式保存数亿年。

大部分腰鞭虫生命周期中仅涉及无性二分裂，少数寄生种类生活史中进行有性生殖。