牡丹画根系肉质强大，少分枝和须根。株高1-3m，可达2m，老茎灰褐色，当年生枝黄褐色。二回三出羽状复叶，互生。花单生茎顶，花径10-30cm，花色有白、黄、粉、红、紫及复色，有单瓣、复瓣、重瓣和台阁型花。花萼有5片。
牡丹的分类方法很多，按株型可分为直立型、开展型和半开张型；按芽型可分为圆芽型、狭芽型、鹰嘴型和露嘴型；按分枝习性可分为单枝型和丛枝型；按花色可分白、黄、粉、红、紫、墨紫（黑）、雪青（粉蓝）、绿和复色；按花期可分为早花型、中花型、晚花型和秋冬型（有些品种有二次开花的习性，春天开花后，秋冬可再次自然开花，即称为秋冬型）；按花型可分为系、类、组型四级。四个系即牡丹系、紫斑牡丹系、黄牡丹系和紫牡丹系；二个类即单花类和台阁花类；二个组即千层组和楼子组；组以下根据花的形状分为若干型，如单瓣型、荷花型、托桂型、皇冠型等。
牡丹为多年生落叶小灌木生长缓慢，株型小，株高多在0.5～2米之间；根肉质，粗而长，中心木质化，长度一般在0.5～0.8米，极少数根长度可达2米；根皮和根肉的色泽因品种而异；枝干直立而脆，圆形，为从根茎处丛生数枝而成灌木状，当年生枝光滑、草木，黄褐色，常开裂而剥落；叶互生，叶片通常为二回三出复叶，枝上部常为单叶，小叶片有披针、卵圆、椭圆等形状，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；花单生于当年枝顶，两性，花大色艳，形美多姿，花径10～30厘米；花的颜色有白、黄、粉、红、紫红、紫、墨紫（黑）、雪青（粉蓝）、绿、复色十大色
牡丹雄雌蕊常有瓣化现象，花瓣自然增多和雄、雌蕊瓣化的程度与品种、栽培环境条件、生长年限等有关；正常花的雄蕊多数，结籽力强，种籽成熟度也高，雌蕊瓣化严重的花，结籽少而不实或不结籽，完全花雄蕊离生，心皮一般5枚，少有8枚，各有瓶状子房一室，边缘胎座，多数胚珠，骨果五角，每一果角结籽7～13粒，种籽类圆形，成熟时为共黄色，老时变成黑褐色，成熟种子直径0.6～0.9厘米，千粒重约400克。
牡丹由野生变家种后，因环境条件变化及人工不断地选育和栽培，除花色、花型、花期早晚有变异外，而且在株的形态、根的长短、粗细、叶的色泽、形状等方面也发生了变异。
牡丹花大色艳，品种繁多。有的品种花器齐全，萼片，雄蕊、雌蕊发育正常，如“似荷莲”、“凤丹白”等；但有的品种雄、雌蕊瓣化或退化，形成了多姿形美的花型，五彩缤纷的花朵。
根据花瓣层次的多少，传统上将花分为：单瓣（层）类、重瓣（层）类、千瓣（层）类。在这三大类中，又视花朵的形态特征分为：葵花型、荷花型、玫瑰花型、半球型、皇冠型、绣球型（传统上把皇冠型和绣球型称为起楼）六种花型。这种分类方法比较直观地反映了花朵的各种变化形态。
海外牡丹园艺品种，最初均来自中国。早在公元724－749年，中国牡丹进入日本，据说是由空海和尚带去的。1330年至1851年间法国对引进的中国牡丹进行大量繁育，培育出许多园艺品种。1656年，荷兰东鳊公司将牡丹引入荷兰，1789年英丘园引进牡丹，从而使中国牡丹在欧洲传播开来，园艺品种达100多个。1880年，法国人把中国的野生黄牡丹进行育种，于1980年选育出一批黄色系品种，后来传入日本等国。
