Der Knollige Sauerklee ist eine mehrjährige, sukkulente, krautige Pflanze. Die Pflanze wird bis über 30–40 cm hoch. Die Wurzeln bilden stark verzweigte Rhizome, deren Spitzen zu fleischigen Knollen anschwellen. Die wachsigen, mehr oder weniger runzligen, zylindrischen bis ellipsoiden oder keulenförmigen Knollen, mit kerbigen „Augen“, sind 3–15 cm lang, weiß, grün, orange, rosa, rot oder violett. Die aufrechten oder niederliegenden, fleischigen Stängel erreichen bis 1 cm Durchmesser. Sie sind dunkelgrün bis purpurn gefärbt und meist dicht mit Flaumhaaren bedeckt.
Die etwas durchscheinenden, an der Basis mit einem „Gelenk“ Pulvinus unterteilten Blattstiele sind ausgebreitet und 7 bis 10 cm lang. Die wechselständigen Laubblätter sind in drei fleischige Blättchen geteilt. Diese sind fast sitzend, mit Pulvini, verkehrt-herzförmig und ganzrandig, etwa 25 × 22 mm groß, grün bis purpurn und tragen zumindest auf der Unterseite Flaumhaare. Die Blättchen sind nyktinastisch. Es sind membranöse Nebenblätter vorhanden.
Oxalis tuberosa ist heterostyl und tristyl, es sind also drei verschiedene Blüten vorhanden. Die Blütenstände erscheinen achsel- oder endständig als vier- bis über achtfache Trugdolden. Die Blütenstandsschäfte sind 15 bis 17 cm lang. Die gestielten, zwittrigen Blüten mit doppelter Blütenhülle sind fünfzählig. Die gelben Blüten haben bis zu 2 cm im Durchmesser. Die Petalen mit streifigen Saftmalen sind verkehrt-eiförmig. Es sind 10 an der Basis verwachsene Staubblätter in zwei ungleich langen Kreisen vorhanden. Der oberständige, fünfkammerige Fruchtknoten ist fünfgrifflig.
Es werden, wenn auch selten, kleine und ein- bis wenigsamige, lokulizidale Kapselfrüchte gebildet. Die Samen besitzen eine explosive Samenschale (Endotesta, Arillus) welche sie aus der Frucht herausschleudert.
Die Chromosomenzahl beträgt 2n = 64.