柳叶菜多年生草本，高30-100cm。茎圆柱形，绿色，入秋变淡红色，被曲柔毛。无基生叶，芭生叶对生，具长1-2mm的短柄；叶近革质，常反折，通常卵形，有时披针形，先端急尖而钝，基部圆形或阔楔形，高海拔的叶大都长1-2cm，宽4-6mm，低海拔的叶长4-4.5cm，宽1.8-2cm，边缘具向上的尖刺，中助和侧脉上表面下凹，背面隆起，侧脉4-5对。总状花序腋生，花蕾开花前绿色，卵状长圆形，先端有展开的萼齿。花盛开时常为紫色，被白色曲柔毛和腺毛；萼片披针形；花瓣暗紫色，淡紫色，稀淡红色或白色，倒卵形，先端内凹1-2mm；花丝黄色，稀青紫色，花药黄色；花柱青紫色，柱头大都圆柱表，花期被长雄蕊药药所环绕，子房绿紫色，密被向上的白色伏毛。蒴果紫色，长5-6cm，疏被曲柔毛。种子倒卵形，先端钝圆，基部狭，表面有乳突。花期8-10月。

种子1至多数，无胚乳，有的具种缨。染色体基数x=5～9，11，15，16，18,24，没有明显规律，如丁香蓼属，中国有几个不同的种的染色体数目分别为8，16，24；也有同一个种具有不同染色体数目的,如水丁香的染色体数为16，24。花粉粒具3或4孔沟,3或4孔或为四分体而具附属的三歧裂缝；扁球形；极面观钝棱形或棱形具凸边；萌发孔唇形或孔腔状，内孔过渡为椭圆形；外壁厚1～3微米；覆盖层光滑或具粗糙凸起；外壁外层颗粒状，具明暗图案；外壁内层比外层厚。有19属650余种，广布于热带和温带地区,但以北美西部为多。中国有4属47种，分布于南北各省,但以西南部为最丰富。另外有5属约16种系引种栽培或已归化。本科的亲缘关系与千屈菜科接近，但因子房下位和花药的丁字着生方式而与之不同。