Il s'agit de plantes aquatiques généralement vivaces, plus rarement annuelles, rhizomateuses ou non. Les tiges sont allongées, flexibles, érigées, rampantes ou flottantes. Certaines espèces développent des turions sur des tiges rampantes.

Les feuilles sont alternes chez Potamogeton, et opposées ou pseudo-verticillées chez Groenlandia. Elles sont simples, entières, et sont souvent dimorphiques : les feuilles flottantes sont larges, celles qui sont immergées sont plus étroites ou linéaire, parfois capillaires. Elles sont sessiles ou pétiolées. Des stipules soudées formant une base engainante et caduque sont généralement présentes chez Potamogeton, mais absentes chez Groenlandia, excepté chez les feuilles sous-tendant leurs inflorescences.

L'inflorescence est un épi pédonculé, axillaire ou terminal, simple ou assemblé en structures capitées ou paniculées. Elle n'est pas axillée par une spathe, et le pédoncule ne s'allonge pas après la pollinisation.

Les fleurs sont actinomorphes et bisexués. Le périanthe consiste en 4 tépales libres et unisériés, bracteiformes, dotés d'onglets et insérées face à chaque étamine. Ces segments sont parfois considérés comme des excroissance du connectif des anthères. Il y a 4 étamines, chacune étant soude à un segment périanthaire ; les anthères sont sessiles et biloculaires, à dehiscence verticale. Les grains de pollen mûrs sont trinucléés et transportés par le vent. L'ovaire est supère et consiste en 4 carpelles, rarement moins, libres ou partiellement soudés, plus ou moins sessiles, chacun contenant un ovule unique campylotrope ou orthotrope. Les stigmates sont sessiles ou sur de courts styles.

Le fruit est drupacé, avec un endocarpe dur et un exocarpe charnu chez Potamogeton ou une nucule au fin péricarpe chez Groenlandia. Les graines n'ont pas d'albumen mais possèdent un hypocotyle bien développé et un embryon courbé.

Les Potamogetonaceae occupent une position centrale dans l'ordre, et est généralement située entre les familles plus ou moins terrestres des Juncaginaceae et des Scheuchzeriaceae, et les familles aquatiques très réduites des Ruppiaceae et des Zannichelliaceae. D'ailleurs, le genre Ruppia était classé auparavant dans cette famille, qui est aussi très proche des familles marines des Posidoniaceae et des Zosteraceae.

Groenlandia est monospécifique et diffère de Potamogeton par ses feuilles opposées ou verticillées sans base engainante, et une nucule au fin péricarpe. Potamogeton est le plus grand genre exclusivement aquatique parmi les plantes à fleurs. La plupart ont une pollinisation aérienne, mais le sous-genre Coleogeton est pollinisé sous l'eau. Recemment, des recherches moléculaires ont mis en évidence le fait qu'une section des Potamogeton pouvait être individualisée comme le genre Stuckenia (D. H. Les, non publié).