Palythoa grandiflora es un zoántido que puede formar colonias de unos pocos pólipos, con parte o todo el coenénquima expuesto. Los pólipos son en forma de copa, de 15-20 mm de altura, con un diámetro del disco oral de 14-16 mm y 52-56 tentáculos marginales, dispuestos en dos ciclos. La columna es suave, pero de apariencia rugosa debido a que posee incrustaciones arenosas. El disco oral es circular cuando está completamente extendido, con el margen irregular cuando se contrae, de color marrón o amarillo oscuro, a veces con un anillo blanquecino o amarillento que rodea la boca. Se distingue fácilmente de P. caribaeorum por su mayor diámetro del disco oral, un mayor número de tentáculos y un morfotipo verde, frente al disco marrón y crecimiento incrustante de P. caribaeorum.
Esta especie se distribuye en el Atlántico occidental (Caribe y Brasil) y en el Atlántico Oriental, donde se ha registrado solamente en las Islas Canarias (Tenerife), con colonias localizadas en la plataforma rocosa intermareal baja hasta 1 m de profundidad, concretamente en Alcalá, donde se muestran altas densidades de población solo en esa zona. Se trata de una especie amfiatlántica tropical-subtropical, cuyo límite septentrional conocido está en Canarias. Puede llegar a ser localmente dominante en arrecifes degradados, provocando cambios de fase en las comunidades bentónicas.