向日葵为圆锥形直根系，由主根、侧根、须根和根毛组成。向日葵种子吸水萌发首先长出一条胚根，其尖端生长点不断细胞分裂，逐渐生长，发育成圆锥型的主根，主根入土深1.5~2米，侧根斜向伸展0.8~1米，大部分集中在表层0~40厘米耕作层中，占总根系的66%左右。向日葵主根在地下20～30厘米深的一段较粗，主根上长有很多侧根，这些侧根向水平伸展，分布直径80～100厘米。侧根上有须根，须根上长有稠密的根毛与土壤紧密接触吸收水分和养分。向日葵根系庞大，吸收能力强，因而抗旱、耐瘠性很强。
向日葵的根系在现蕾到开花阶段生长最快，从开花到成熟逐渐缓慢。1、向日葵开花前10天，在茎基部子叶痕以下生出若干不定根，叫气生根或水根。一部分深入土壤中，增强对植株的支撑作用和吸收土壤上层的水分和养分（覆膜后会限制气生根的发育）。向日葵根系发达，根群庞大，吸肥吸水能力强，这是它抗旱耐瘠薄的形态特征之一。2、向日葵苗期根系生长速度比茎生长的快，三对真叶期苗高20厘米左右时，主根已长达70厘米，所以苗期耐旱。
3、向日葵在现蕾期根系伸长更快，开花前达到最高峰，每天可伸长1～3厘米。与地上部分快速生长期相适应，此时需要大量的水分和养分供应。4、向日葵开花以后伸长速度减慢，到成熟时才完全停止。根系发育及分布状况，与土壤水分和养分的供应情况有直接关系，前期雨量充沛，土壤湿度大时主根扎得较浅，干旱年份扎得深，以便吸收深层土壤中的水分，对提高产量有重要意义。向日葵根的生长速度一直比茎快，花盘形成前后根生长最快，到种子开始成熟时，根不再生长，以后便逐渐枯萎。此外，在适宜条件下可长出大量的水根（似玉米的气生根）。向日葵根系风干后的重量占整株重量的20～25%，根量比玉米大一倍以上。因而，能在较大范围内吸收水分和养分，并能牢固地支撑植株。
