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Le Mouron bleu est une plante relativement petite pouvant atteindre une trentaine de centimètres. Ses tiges, couchées ou ascendantes, anguleuses, ramifiées, sont ponctuées de glandes. Les feuilles sont opposées, ovales-aiguës, (1,5 à 2,5 cm de longueur), de couleur vert cendré ou glaucescent, mates et ponctuées de glandes noires en dessous. Les fleurs sont bleu. La corolle fait au plus 1,2 cm de diamètre, à gorge rose violacé. Les pétales ne se recouvrent généralement pas par leurs bords au plein épanouissement et leurs marges sont à rares poils glanduleux (voire manquants), constitués généralement de 4 cellules, la terminale non dilatée (ce critère est déterminant pour distinguer la plante de la forme bleue du Mouron des champs, une espèce beaucoup plus répandue : cf. figure 1 au paragraphe suivant). Les dents du calice recouvrent la corolle lorsqu'elle est en bouton et la capsule à plus de 5 nervures. Il ne faut pas confondre le Mouron bleu avec la forme bleue du Mouron rouge ou Mouron des champs (Anagallis arvensis L. arvensis) qui lui ressemble beaucoup (le Mouron bleu a d'ailleurs été longtemps considéré comme une sous espèce de ce dernier). En effet, le Mouron rouge fleurit le plus souvent rouge mais la teinte de ses fleurs est variable et peut parfois être d'un bleu soutenu tout comme le Mouron bleu ! La couleur des fleurs n'est donc pas un critère discriminant pour distinguer les deux plantes.
Les feuilles du Mouron rouge sont opposées également mais elles sont plus ovales que le Mouron bleu qui a des feuilles plus allongées et pointues. Le Mouron rouge a également des feuilles d'un vert plus franc ou jaunâtre et sont plus luisantes. Mais le critère qui permet de distinguer à coup sûrles deux plantes (visible uniquement à la loupe) est la présence plus ou moins marquée de poils glanduleux à la marge des pétales, et leur forme. En effet, contrairement au Mouron bleu, le Mouron rouge est muni de nombreux poils glanduleux (plus de 30) constitués de 3 cellules chacun, la terminale étant dilatée. Le Mouron bleu a, lui, moins de poils (<30 ou parfois absence), généralement constitués d'une cellule supplémentaire mais non renflée (cf. schémas ci-dessous)

C'est une plante annuelle (thérophyte) qui fleurit principalement en fin de printemps, été, entre mai et septembre (octobre).La pollinisation se fait par les insectes.
Le Mouron bleu se rencontre sur sols secs et calcaires, argileux, moyennement riches en nutriment et pauvres en matière organique. On le retrouve principalement dans les cultures et occasionnellement dans des friches.