Anthony van Dyck se tourne pour croiser le regard du spectateur, sa main droite touchant doucement les pétales d'un grand tournesol jaune, tandis que sa main gauche tient une chaîne en or drapée sur son épaule. Il se tient à l'extérieur, encadré par des nuages lumineux et un ciel vif, son manteau rose capturant la lumière qui illumine également les bords du tournesol. La chaîne qu'il exhibe était un cadeau de Charles Ier, dont le portrait figure sur une médaille maintenant cachée par la manche, marquant le rôle de van Dyck en tant que peintre de la cour en Angleterre.

Peinte après l'arrivée de van Dyck à la cour anglaise, Autoportrait avec un tournesol appartient à sa période anglaise tardive, lorsque son style de portrait est devenu particulièrement influent. Le tournesol, la chaîne et le regard direct de van Dyck signalent ensemble son statut et sa relation avec le patronage royal, un thème qui a distingué son travail dans le mouvement baroque.