哈密瓜為一年生匍匐或攀援草本。莖、枝有棱，有黃褐色或白色的糙硬毛和疣狀突起。卷須纖細，單－，被微柔毛。葉柄長8-12公分，具槽溝及短剛毛。葉片厚紙質，近圓形或腎形，長、寬均8-15公分，上面粗糙，被白色糙硬毛，背面沿脈密被糙硬毛，邊緣不分裂或3-7淺裂，裂片先端圓鈍，有鋸齒，基部截形或具半圓形的彎缺，具掌狀脈。花單性，雌雄同株。

哈密瓜雄花：數朵簇生于葉腋。花梗纖細，長0.5-2公分，被柔毛。花萼筒狹鐘形，密被白色長柔毛，長6-8毫米，裂片近鉆形，直立或開展，比筒部短。花冠黃色，長2公分，裂片卵狀長圓形，急尖。雄蕊3，花絲極短，藥室折曲，藥隔頂端引長。退化雌蕊長約1毫米。

哈密瓜雌花：單生，花梗粗糙，被柔毛。子房長橢圓形，密被長柔毛和長糙硬毛，花柱長1-2毫米，柱頭靠合，長約2毫米。

哈密瓜果實的形狀、顏色因品種而異，通常為球形或長橢圓形，果皮平滑，有縱溝紋，或斑紋，無刺狀突起，果肉白色、黃色或綠色，有香甜味。種子污白色或黃白色，卵形或長圓形，先端尖，基部鈍，表面光滑，無邊緣。花果期夏季。