Anthony van Dyck si volta per incontrare lo sguardo dello spettatore, la sua mano destra toccando delicatamente i petali di un grande girasole giallo, mentre la sua mano sinistra tiene una catena d'oro drappeggiata sulla spalla. Si trova all'aperto, incorniciato da nuvole luminose e un cielo vivace, il suo cappotto rosa cattura la luce che illumina anche i bordi del girasole. La catena che espone era un regalo di Carlo I, il cui ritratto è su una medaglia ora nascosta dalla manica, segnando il ruolo di van Dyck come pittore di corte in Inghilterra.

Dipinto dopo l'arrivo di van Dyck alla corte inglese, Autoritratto con un girasole appartiene al suo periodo inglese tardo, quando il suo stile di ritratto divenne particolarmente influente. Il girasole, la catena e lo sguardo diretto di van Dyck segnalano insieme il suo status e la sua relazione con il patrocinio reale, un tema che ha distinto il suo lavoro nel movimento barocco.