Contrairement à bon nombre de lépidoptères, il ne présente pas de variations géographiques ou saisonnières, d'où une remarquable stabilité morphologique sur l'ensemble de son aire.

Le Paon-du-jour adulte (imago) est de taille moyenne (entre 5 et 6 cm du bout d'une aile à l'autre). Il est aisément identifiable par ses ocelles (yeux) vifs sur un fond vermeil qui rappellent ceux des plumes de paon (d'où son nom vernaculaire). Le revers brun de ses ailes lui permet de se glisser au sein des feuilles mortes sans qu'il soit visible. Les ocelles sont exposés rapidement lorsque le papillon est troublé par un prédateur tel qu'un oiseau. Cette démonstration brutale de l'éclat de ses ailes, accompagnée par l'effleurement des ailes ouvertes (qui crée un bruit de sifflement), effraie et repousse l'importun. En effet, certains pensent que les ailes ouvertes évoquent mimétiquement un regard de chat, ce qui peut surprendre ou décourager le prédateur, assez longtemps pour que le Paon-du-jour puisse prendre la fuit.

Après l'accouplement, le Paon-du-jour pond ses œufs par séries, jusqu'à 500 à la fois amassés au revers des feuilles de la plante nourricière (majoritairement des Orties dioïques). Les œufs sont de couleur pâle, allant du jaune au vert . L'œuf présente huit fines arêtes longitudinales et libère la chenille au bout de deux à trois semaine d'incubation.

Les chenilles sont très variables suivant leurs différents stades. Tout juste nées, elles n'excèdent pas 3 mm. Leur grosse tête noire et luisante est disproportionnée par rapport à leur petit corps blanc-verdâtre. Petit à petit, les proportions s'équilibrent et leur coloration vire au vert/brun. Enfin, elles acquièrent leur morphe définitive à savoir une robe noire brillante ornée de rangées de soies épineuses agrémentées de séries de points blancs sur chaque segment. À ce stade, elles atteignent à peine le centimètre mais au bout de 4 semaines d'une voracité effrénée, elles pourront dépasser les 4 cm de long. Malgré leur aspect de « barbelé », elles sont d'une totale innocuité (non urticantes et non vulnérantes). À terme, la chenille, jusqu'alors grégaire et vorace, cesse de s'alimenter et part en errance à la recherche d'un endroit pour pratiquer la nymphose.

Les chenilles se rencontrent de mai à septembre en colonies groupées sur des massifs d'orties sur lesquelles elles se nourrissent.

Après avoir trouvé un support idéal, la chenille s'y amarre par sa dernière paire de pattes et se laisse pendre la tête en bas. En un peu moins de 2 jours, les organes internes de la chenille vont se métamorphoser en chrysalide. L'enveloppe corporelle va alors se fendre dorsalement et la laisser apparaître. Au contact de l'air, la chrysalide va se durcir et se pigmenter. Une métamorphose tout aussi complexe que la première va alors se dérouler durant environ 2 semaines, les organes de l'insecte adulte se substituant à ceux de la chenille. La dépouille que formera bientôt la chrysalide s'ouvre alors ventralement, laissant apparaître l'imago, stade terminal du papillon. Sous la pression de l'hémolymphe circulant dans les nervures, les ailes initialement « fripées » vont se déployer peu à peu (de l'ordre de 5 à 10 min) et gagner en rigidité. L'envol se fera après le durcissement des téguments, et l'élimination du méconium, déchet organique liquide plus ou moins rougeâtre.

Le Paon-du-jour est bivoltin, univoltin ou trivoltin. En majorité leur période de vol s'étale de juin à août. Puis il peut entrer en diapause, selon le temps, entre la fin octobre et le printemps. Ces dates sont totalement tributaires des conditions atmosphériques. "Inachis" io a la particularité d'hiverner à l'état adulte. Cette période terminée, il vole dès février/mars dans les zones où le climat lui permet 2 ou 3 générations (hormis en montagne où il n'en a qu'une). Suivra, dans ces zones, une première génération printanière, laquelle en donnera une seconde, à la fois estivale et hivernante, observable d'août à mai. Sur le continent, la larve de Paon-du-jour affectionne tout particulièrement l'ortie dioïque et le houblon alors que dans les îles méditerranéennes comme Samos, elle se reporte sur la Pariétaire officinale, l'ortie étant absente. Les adultes, quant à eux, butinent une grande variété de nectars issus des chatons de saules, du buddleia de David, de pissenlits, de marjolaines, du sureau yèble, de l'eupatoire chanvrine, de violettes et de trèfles ; ils utilisent également la sève de certains arbres et des fruits putréfiés.