平地から丘陵地にかけて分布する。河川の中流域の樹林に囲まれた池、沼や湿地でよく見られ、岸辺が暗い環境を好む。成熟したオスは縄張りを持ち水辺の植物に翅を閉じて静止し、時々周囲を飛翔してメスを探す。他のオスが近づくと追い払う。メスを見つけたオスは連結し、植物に止まって移精と交尾を行う。交尾は午前中に行われることが多い。交尾後連結態のまま水面付近の植物に産卵したり、メス単独で産卵したりする。ヤゴは捕獲されると脚を縮め、U字型に体を曲げて死んだふりをする。生物化学的酸素要求量（BOD）が10-20 （mg/l）の汚れた止水の水質環境に生育する。
全長39-50 mm、腹長31-40mm、後翅長18-26 mm。成熟すると斑紋が水色となる。中脚と後脚の脛節は白くやや拡がるが、グンバイトンボ程は軍配状にはならない。腹部第9節、10節が青白い。オオモノサシトンボのように斑紋が黒化した個体も時々見られる。
成虫は中型で、イトトンボ亜目の中では大きい。秋に出現する個体は小さい。近縁種のオオオモノサシトンボ（学名：Copera tokyoensis (Asahina, 1848)）と形態が酷似する。腹部に物差しのような等間隔の環状紋があり、和名の由来となっている。後頭部に青白い斑紋があり、複眼は左右に離れていて、複眼の内側に波状の斑紋がある。グンバイトンボに似るが、頭に後頭条がない。前翅と後翅は同じ形で同じ大きさ。翅に黄色と黒の斑紋があり、若い個体の斑紋は赤色。
福島県二本松市出身。父は旧二本松藩士朝河正澄、母は旧田野口藩士の長女杉浦ウタ(ウタは貫一が2歳の時に亡くなったため、その後は父正澄と継母エヒに育てられる)。1874年（明治7年）、父正澄が「伊達郡立子山村小学校」（現福島県福島市立立子山小学校）の校長格として赴任するため、現在の福島県福島市立子山にある天正寺に移住した後、新校舎とともに建設された校長住宅へ移る。天正寺には朝河が4歳の時に描いた馬の絵が現存する。1878年（明治11年）、立子山小学校初等科に入学後、同校普通科・高等科(3級まで)を修了する。その後、川俣小学校高等科（現福島県伊達郡川俣町立川俣小学校）へ移り、1887年（明治20年）10月、蒲生義一に就いて英学を学ぶ。1888年（明治21年）、現在の福島県福島市杉妻町にあった福島県尋常中学校（現福島県立安積高等学校）に入学する。1889年（明治22年）、現在の福島県郡山市に福島県尋常中学校が移転すると、朝河は郡山市の宮本家に下宿し、そこから通学する。福島県尋常中学校在学中、英国人教師トーマス・エドワード・ハリファックスに教えを受ける。1892年（明治25年）3月、同校を首席卒業の後、5月〜8月まで郡山尋常小学校（現福島県郡山市立金透小学校）で英語教授の嘱託を務める。1892年（明治25年）12月、東京専門学校（現早稲田大学）に編入学し、1895年（明治28年）首席で卒業。同校在学中に大西祝、坪内逍遙、夏目漱石等の教えを受ける。またこの時期、横井時雄により洗礼を受ける。1895年（明治28年）、大西祝、大隈重信 、徳富蘇峰、勝海舟らに渡航費用の援助を受けてアメリカへ渡り、ダートマス大学へ編入学する。1899年（明治32年） 米国ダートマス大学を卒業する。1902年（明治35年）イェール大学大学院を卒業する。1902年（明治35年）Ph.D.を受ける。1902年（明治35年）ダートマス大学講師となる。1905年（明治38年） クラウンポイントの教会でミリアム・キャメロン・ディングウォールと挙式する。1906年（明治39年）〜1907年（明治40年）米国議会図書館とイェール大学図書館から依頼を受けた日本関係図書収集のため一時帰国する。（第1回帰国）1906年（明治39年）9月〜1907年（明治40年）6月早稲田大学文学部講師となる(英語を担当する)。1907年（明治40年）再渡米、イェール大学講師、次いでイェール大学図書館東アジアコレクションキュレーターに就任する。1907年（明治40年）ミリアム・キャメロン・ディングウォールと入籍する。1910年（明治43年）同大学助教授となる。1913年（大正2年）ミリアム・朝河と死別する（ミリアムの墓は米国コネティカット州ニューヘブン市内エヴァグリーン墓地にある）。1917年（大正6年）〜1919年（大正8年）東京大学史料編纂所に調査・研究のため一時帰国する。（第2回帰国）1930年（昭和5年）イェール大学準教授となる。1937年（昭和12年）日本人初のイェール大学教授に就任する。1941年（昭和16年） 日米開戦を避けるため、天皇宛米国大統領親書草案をラングドン・ウォーナーに渡す。1942年（昭和17年）同大学名誉教授となる。1948年（昭和23年） 同大学図書館日本部長兼キュレーターを務める。1948年（昭和23年）バーモント州ウェストワーズボロで死去する。遺体はコネチカット州ニューヘヴンのグローヴストリート墓地に埋葬される。また、福島県二本松市の金色(かないろ)墓地に墓が建立されている。2007（平成19）年、イェール大学講師就任100年を記念して同大学寮セイブルック・カレッジの中庭に石庭「朝河貫一記念ガーデン」が造られた。