哈密瓜为一年生匍匐或攀援草本。茎、枝有棱，有黄褐色或白色的糙硬毛和疣状突起。卷须纤细，单－，被微柔毛。叶柄长8-12公分，具槽沟及短刚毛。叶片厚纸质，近圆形或肾形，长、宽均8-15公分，上面粗糙，被白色糙硬毛，背面沿脉密被糙硬毛，边缘不分裂或3-7浅裂，裂片先端圆钝，有锯齿，基部截形或具半圆形的弯缺，具掌状脉。花单性，雌雄同株。

哈密瓜雄花：数朵簇生于叶腋。花梗纤细，长0.5-2公分，被柔毛。花萼筒狭钟形，密被白色长柔毛，长6-8毫米，裂片近钻形，直立或开展，比筒部短。花冠黄色，长2公分，裂片卵状长圆形，急尖。雄蕊3，花丝极短，药室折曲，药隔顶端引长。退化雌蕊长约1毫米。

哈密瓜雌花：单生，花梗粗糙，被柔毛。子房长椭圆形，密被长柔毛和长糙硬毛，花柱长1-2毫米，柱头靠合，长约2毫米。

哈密瓜果实的形状、颜色因品种而异，通常为球形或长椭圆形，果皮平滑，有纵沟纹，或斑纹，无刺状突起，果肉白色、黄色或绿色，有香甜味。种子污白色或黄白色，卵形或长圆形，先端尖，基部钝，表面光滑，无边缘。花果期夏季。