Трав'яниста напіврозеткова рослина заввишки 20-70 (зрідка до 100) см. Усі частини рослини, а надто листя, містять глікозиди, тому при пошкодженні вони виділяють запах гірчичної олії.
Корінь стрижневий. Стебла прямостоячі, голі або слабко опушені біля основи, слабко розгалужені. Листки частково зібрані в розетку, частково вкривають нижню частину стебла, сизуваті, голі, цілокраї, завдовжки 2-15 см, завширшки 1-8 см. Їх форма варіює від майже цільної з дещо нерівним краєм до непарнопірчасто-виїмчастих з лопатями, форма яких міниться у різних особин від трикутнояйцеподібної до майже лінійної.
Суцвіття — малоквіткова китиця. Квітки двостатеві, актиноморфні, жовті. Квітконіжки завдовжки 8-35 мм. Чашолистків 4, їх довжина сягає 4-7 мм. Вони голі або слабко опушені, з тоненькою білою смужкою по краю. Оцвітина складається з 4 обрененояйцеподібних, звужених у «нігтик», пелюсток, кожна завдовжки 7-15 мм, завширшки 5-8 мм. Тичинок 6, їх довжина сягає 4-8 мм, в тому числі 2,5-3 мм становить довжина жовтого пиляка. Плід — голий стручок завдовжки 2-6 см, завширшки 1,5-2,5 мм. Насінини розташовані в стручку у два ряди, вони коричневі, завдовжки 1-1,3 мм, завширшки 0,6-0,9 мм.
Число хромосом 2n = 22.
Рослина посухостійка, тепло- і світлолюбна, загалом невибаглива. Зростає у відкритих, особливо рудеральних, фітоценозах: на пустирях, насипах, гірських схилах, піщаних пляжах, мулистих берегах водойм, рідше — на полях, у лісах. В горах підіймається до висоти 2100 м. Віддає перевагу добре аерованим, піщаним ґрунтам, багатим на азотисті сполуки і карбонати, також може росте на глинистих і суглинних.
Квітне з травня по вересень. Запилюється комахами, можливе самозапилення. В природі досить часто трапляється перехресне запилення з ріпаком, дворядником прутяним, причому внаслідок останнього виник новий вид — дворядник муровий.[2] Водночас, гібридизація з ріпаком не призводить до утворення міксоплоїдних особин.[3]
Плодоносить з червня до жовтня. Насіння поширюється при струшуванні плодів, розтріскуванні стручків тощо (автохорія). Насінини при намочуванні не ослизнюються.[4]
Первинний ареал дворядника тонколистого охоплював Середземномор'я, але ще кілька століть тому цю рослину було занесено до усіх більш-менш теплих регіонів Європи. Зокрема, в Німеччині цей вид відомий з 1768 року, а в США його завезли у минулому сторіччі.[5] Крім того, дворядник тонколистий інтродукований в Африці, Австралії, Аргентині.
Хоча дворядник тонколистий не відноситься до поширених сільськогосподарських культур, його здавна вирощують заради зеленого листя, яке додають до салатів. Рослини дуже продуктивні, тому листя можна зрізати з весни до осені. Листки містять шкідливу ерукову кислоту, але у культурних рослин її вміст низький. У торговельній мережі листя дворядника тонколистого продають під назвою «дика італійська рукола», втім, не слід плутати цю рослину зі справжньою руколою.
У середньовічному медичному трактаті «Тротула» дворядник тонколистий, приготований у вині, радили застосовувати при дизентерії (на сьогодні це шигельоз).
Поза природним ареалом ця рослина часто перетворюється на бур'ян і розглядається як характерний складник європейської техногенної флори.