牡丹为落叶小灌木，株高多在0.5～2.0米之间。根肉质，根长一般50～80厘米，长者达200厘米，根皮和根肉色泽因品种而异。根多直立而脆，圆形，从根颈处丛生数枝而成灌木状，表皮灰褐色，常开裂而剥落；当年生枝光滑，黄褐色，花后到冬季有干梢现象。
叶片宽大，互生，二回三出羽状复叶，茎上部常为单叶；小叶片有披针形、卵圆形、椭圆形等形状，顶生小叶常为2～3裂；叶上面深绿色或黄绿色，下为灰绿色，光滑或有毛。总叶柄长8～20厘米，表面有凹槽。
芽为混合芽，外有鳞片包被。花单生当年生枝顶端，两性，花朵横径10～30厘米，雄蕊多数，心皮5，基部全被花盘包围。萼片5，宿存，绿色。开花后结蓇葖果，密生短茸毛，成熟时沿背缝线开裂，内含5～15枚大粒种子，呈不规则的圆形，成熟时变为黄色，老时黑褐色。种子直径0.6～0.9厘米，千粒重0.4～0.8克，发芽率70%～95%。