Les Hydrocharitaceae sont une famille de plantes herbacées aquatiques, annuelles ou vivaces, flottantes ou immergées. Parfois stolonifères, elles possèdent un rhizome monopodial rampant aux feuilles disposées sur 2 rangées verticales, ou un rameau principal érigé avec des racines basales et feuillé.

Les feuilles, alternes, opposées ou pseudo-verticillées, sont simples, généralement immergées, parfois flottantes ou partiellement émergées. Elles ont des formes très variées : de linéaires à orbiculaires, avec ou sans pétiole, avec ou sans base engainante, avec ou sans stipules, uni- ou plurinervé. Les marges du limbe sont entières à serratulées.

Les fleurs sont solitaires ou groupées en cymes terminales ou axillaires, axillées par une bractée en forme de spathe et bifide, ou par deux bractées opposées. Elles sont généralement actinomorphes, parfois irrégulières (Vallisneria), et bisexuées ou unisexuées, la plante étant alors dioique.

Le périanthe, épigyne, se composent de 3 sépales libres, de 3 pétales libres, absents chez Thalassia et Halophila.

Il y a 1 ou plusieurs étamines en une série ou plus, les internes étant parfois stériles. Chez Lagarosiphon, les staminodes font fonction de voiles permettant une libre flottaison des fleurs mâles. Les anthères sont bi- ou tetraloculaires, basifixes, et ont une dehiscence longitudinale. Le pollen est globuleux et libre, mais chez les genres marins Thalassia et Halophila, les graines de pollen sont agglomérés en tetrades ou en chaînes.

L'ovaire est infère et uniloculaire, formé de 2-15 carpelles soudés. Chacun renferme de nombreux ovules sur des placentas pariétaux, parfois intrudés ou incomplètement développés.

La famille possède une grande variété de mécanismes de pollinisation. Certains genres, tels Egeria, Hydrocharis et Stratiotes ont des fleurs relativement grandes qui sont pollinisées par les insectes, mais certaines espèces sont cleistogames. Chez Hydrilla, Lagarosiphon, Maidenia, Nechamandra et Vallisneria, les fleurs mâles se détachent de la plante mère et se dressent à la surface de l?eau où elles se développent et dérivent vers les fleurs femelles. Chez Elodea, que les fleurs mâles se détachent ou restent sur la plante mère, les anthères explosent en dispersant les grains de pollen à la surface de l'eau.

Les fruits sont globuleux ou linéaires, secs ou pulpeux, déhiscents ou plus généralement indéhiscents, et s'ouvrent suite au flétrissement du péricarpe. Chez Hydrocharis, le fruit est bacciforme, par la soudure de six carpelles en six loges multiovulées, le fruit est une baie. Les graines sont généralement nombreuses, avec un embryon droit et sans albumen.

La famille est reliée aux Butomaceae et de façon plus lointaine aux Nympheaceae. Les Hydrocharitaceae diffèrent des Alismataceae par leurs fleurs épigynes et par l'ovaire uniloculaure et infère. Dans la plupart des systèmes, les Hydrocharitaceae sont placées en position centrale parmi les Alismatiidae, mais il semble aujourd'hui qu'elles représentent un groupe très primitif parmi les Liliopsides.

Les Hydrocharitaceae sont généralement divisées en trois sous-familles.

Les Thalassoideaeet les Halophiloideae sont deux sous-familles monogénériques, constituées respectivement des genres Thalassia et Halophila. Ces genres vivent dans les mers tropicales. La spathe mâle contient une fleur, la pollinisation a lieu sous l'eau, et le pollen est groupé en tétrades filiformes résistant à l'eau de mer et ayant la même densité.

Les autres genres sont groupés dans les Hydrocharitoideae. Ici, la pollinisation a lieu à la surface de l'eau, ou au-dessus de celle-ci, par des grains de pollen globuleux. Ils se rencontrent en eaux froides, excepté Enhalus.