向日葵的根系很发达，在土壤中分布很广且深入土壤。主根、侧根、须根组成了向日葵的根系。一般主根大约有一百到二百厘米长，入土较深；侧根呈水平方向生长，从主根上长出；又由侧根上生长出许多须根，侧根和须根上都附着根毛。向日葵的根的生长比茎生长要快，在花盘成形前后期根的生长速度最快，在葵花籽成熟时根就会停止生长，然后渐渐枯萎腐烂。向日葵在一定条件下会生长出大量类似玉米气生根的水根。

向日葵的不同类型品种的茎的高度差异很大，即使是同一品种植株高度也会由于受到播种期和种植条件的影响而产生较大差异。向日葵的茎秆为木质化，圆柱形直立，表面覆盖较硬的刚毛。内部的髓是空心。它的茎有皮层、木质部和空心海绵状髓组成。

向日葵的胚芽的颜色是识别向日葵幼苗品种的重要标志，主要有深紫、淡紫和绿色等。茎的生长速度在打苞到开花期间最快，以后会渐渐减缓。