牡丹是落叶灌木。茎高达2米；分枝短而粗。叶通常为二回三出复叶，偶尔近枝顶的叶为3小叶；顶生小叶宽卵形，长7-8厘米，宽5.5-7厘米，3裂至中部，裂片不裂或2-3浅裂，表面绿色，无毛，背面淡绿色，有时具白粉，沿叶脉疏生短柔毛或近无毛，小叶柄长1.2-3厘米；侧生小叶狭卵形或长圆状卵形，长4.5-6.5厘米，宽2.5-4厘米，不等2裂至3浅裂或不裂，近无柄；叶柄长5-11厘米，和叶轴均无毛。
花单生枝顶，直径10-17厘米；花梗长4-6厘米；苞片5，长椭圆形，大小不等；萼片5，绿色，宽卵形，大小不等；花瓣5，或为重瓣，玫瑰色、红紫色、粉红色至白色，通常变异很大，倒卵形，长5-8厘米，宽4.2-6厘米，顶端呈不规则的波状；雄蕊长1-1.7厘米，花丝紫红色、粉红色，上部白色，长约1.3厘米，花药长圆形，长4毫米；花盘革质，杯状，紫红色，顶端有数个锐齿或裂片，完全包住心皮，在心皮成熟时开裂；心皮5，稀更多，密生柔毛。蓇葖长圆形，密生黄褐色硬毛。花期5月；果期6月。
绿牡丹又名绿香球。绣球型，有时呈皇冠型。花蕾圆形，顶端常开裂；绽口时浅绿色，盛开粉色（36-D）；花径18×10厘米。盛开后外内瓣大小差别不大，基部具粉红色晕，内瓣褶叠，极紧密，耸起，形似绣球；雌蕊退化变小或瓣化。花梗粗，较长，略软，花朵侧开。晚花品种。株型高，开展。枝粗壮而弯曲，一年生枝长，节间亦长；鳞芽圆尖形。