Il s'agit d'arbres caducs, à l'écorce lisse. Les feuilles, alternes et pétiolées sont, au vu d'analyses anatomiques du limbe, composées mais réduites à une seule foliole, et donc d'apparence simple. Elles sont stipulées, et ceux ci sont discrets et caducs. Le limbe a une nervation pennée et des marges légèrement crénelées ou sérrulées dans sa partie apicale. Les longs pétioles sont dotés d'un renflement à chaque extrémité. Les feuilles possèdent de curieux poils courbés sur leur face inférieure, une structure vasculaire très complexe dans le pétiole, ainsi que des canaux sécréteurs.

Les fleurs sont petites, actinomorphes et bisexuées, et sont regroupées en racèmes axillaires denses et pendants, solitaires ou par paires. Elles sont axillées par de petites bractées caduques.

Le calice se compose de 5 petits sépales connés à la base, persistants et plus ou moins accrescents. Les 5 pétales sont libres, discrets, et imbriqués. Il y a 5 étamines courtes et fertiles avec des anthères tetraloculaires, opposées aux pétales, et 5 staminodes longs et poilus, opposés aux sépales. Les anthères des étamines fertiles ont une déhiscence logitudinale et valvaire, latrorse. L'ovaire, sessile, est supère et uniloculaire, composé de 3 carpelles soudés avec 6 ovules pendants, épitrope et anatropes. La placentation est apicale, mais très particulière, car le placenta forme une colonne longitudinale au sein de l'ovaire. Il y a 3 styles courts et apicaux.

Le fruit est une capsule à 3 valves, de couleur jaune pâle ou verte et tapissée de poils soyeux à l'intérieur. Elle est sous-tendue par les 5 sépales persistants et renferme une seule graine. Les fruits deviennent bruns et cassants à maturité, et sont rapidement mangés par des perroquets ou des babouins. Les graines ont un albumen abondant et un petit embryon droit.

Deux caractères morphologiques semblent distinguer les Medusandraceae des autres familles de l'ordre. Les staminodes, repliées dans le bouton, se déplient et deviennent plus longs que les pétales. L'ovaire est particulier dans le fait de posséder une colonne centrale. Ainsi, Medusandra n'est réellement proche d'aucune autre genre. Si les Dipterocapaceae et les Lacistemataceae possèdent également certains de ces caractères, aucune de ces familles n'est considérée comme proche des Medusandraceae. Certaines affinités avec les Olacaceae, les Icacinaceae et les Euphorbiaceae ont été suggérées.