Mák vlčí je 20–100 cm vysoká rostlina s jednoduchou nebo jen slabě větvenou lodyhou, která je i v horní části odstále štětinatá. Spodní listy vlčího máku jsou řapíkaté, ty svrchní přisedlé a ostře zubaté. Všechny listy jsou střídavé a také štětinaté jako lodyha. Jednotlivé květy na koncích stonků jsou před rozvitím sehnuté a korunní plátky jsou kryty dvěma štětinatými kališními lístky, které po rozkvětu opadávají. V květu tedy rostlině zůstávají jen výrazné čtyři korunní lístky, které jsou sytě červené, široké, navzájem se překrývají a na bázi mají často fialovou až černou skvrnu. Tyčinky jsou černofialové a na rozdíl od většiny příbuzných druhů jsou nitkovité a pod prašníky neztlustlé. Charakteristický je i tvar plodu – makovice. Makovici představuje 1–2 cm velká tobolka, která je lysá a široce vejčitá, po dozrání dřevnatí. Modrošedá semena jsou drobná (1mm dlouhá), ledvinovitá, matná, se zřetelně síťovaným povrchem a čtvercovými políčky. Vypadávají otvorem pod zaschlým věncem blizen. Na jedné rostlině dozrává 10 000–20 000 semen, s poměrně dlouhou a nepravidelnou dormancí, která mohou vzcházet během celého roku, i za nízkých teplot půdy.