牵牛花缠绕草本,茎上被倒向的短柔毛及杂有倒向或开展的长硬毛。叶宽卵形或近圆形,深或浅的3裂,偶5裂,长4-15厘米,宽4.5-14厘米,基部圆,心形,中裂片长圆形或卵圆形,渐尖或骤尖,侧裂片较短,三角形,裂口锐或圆,叶面或疏或密被微硬的柔毛;叶柄长2-15厘米,毛被同茎。花腋生,单一或通常2朵着生于花序梗顶,花序梗长短不一,长1.5-18.5厘米,通常短于叶柄,有时较长,毛被同茎;苞片线形或叶状,被开展的微硬毛;花梗长2-7毫米;小苞片线形;萼片近等长,长2-2.5厘米,披针状线形,内面2片稍狭,外面被开展的刚毛,基部更密,有时也杂有短柔毛;花冠漏斗状,长5-8(-10)厘米,蓝紫色或紫红色,花冠管色淡;雄蕊及花柱内藏;雄蕊不等长;花丝基部被柔毛;子房无毛,柱头头状。蒴果近球形,直径0.8-1.3厘米,3瓣裂。种子卵状三棱形,长约6毫米,黑褐色或米黄色,被褐色短绒毛。
牵牛花生性强健,喜气候温和、光照充足、通风适度,对土壤适应性强,较耐干旱盐碱,不怕高温酷暑,属深根性植物,地栽土壤宜深厚。