Ce sont principalement des plantes herbacées, mais quelques-unes ont un port arbustif, et dans certaines régions d’Amérique du sud, elles ont la forme de coussinets. Les feuilles supérieures sont opposées, souvent pennatifides, sans stipules, et les feuilles basales sont généralement en rosettes. Le limbe est simple ou pinnatis&quées à imparipennées. Quand elles sont sèches, ces plantes exhalent une forte odeur caractéristique, due à la présence d’acide valérianique (essences monoterpernoidiques ou sesquiterpenoidiques), particulièrement dans les racines.

Les inflorescences forment des cymes bipares dont la fleur centrale avorte souvent, plus rarement des cymes unipares. Elles sont souvent très florifères, et sont souvent axillées par un verticille de bractées (Valerianella).

Les fleurs sont habituellement bisexuées et plus ou moins zygomorphes.

Le calice, situé au sommet de l’ovaire, est à peine visible chez la fleur, mais montre de grandes variations de structure chez le fruit. Il est en principe à 5 lobes (Nardostachys), parfois réduites à de simples dents (Patrinia), mais est considérablement modifié par son développement en forme de parachute, comprenant jusqu’à 30 segments plumeux chez les fruits de Valeriana et Centranthus, alors que chez Valerianella, il peut être virtuellement absent, ou encore ressembler à une outre chez d’autres genres.

Les 5 pétales sont soudés, avec généralement 5 lobes imbriqués. Souvent, la corolle forme un long tube de la corolle, comme chez Centranthus, quelques espèces de ce genre ayant aussi un éperon nectarifère à la base ; la pollinisation est alors effectuée par des papillons de nuit. Chez d'autres genres, la corolle peut être bilabiée.

Les étamines, attachées à la partie supérieure du tube de la corolle, varient en nombre : il y en a 4 chez Patrinia et Nardostachys, 3 chez Valeriana, 2 chez Fedia et 1 seule chez Centranthus. Elles sont généralement exsertes chez les fleurs mâles et bisexuées, vestigiales et icluses dans les fleyrs femelles. Les anthères sont versatiles, tetrasporangiées, dehiscentes par des fentes longitudinales.

L’ovaire, formé de 3 carpelles soudés, est infère et possède une loge suite au développement inégal des carpelles, avec 1 unique ovule apical, anatrope et pendant. Le style est simple et fin. Le stigmate est simple ou trilobé.

La fleur est donc ici clairement zygomorphe : la corolle acquiert un plan de symétrie vertical, ce qui entraîne la perte constante de l’étamine dorsale. Chez les espèces les moins évoluées, la corolle est encore presque régulière, et il y a 4 étamines. Puis, la corolle devient bossue (Valeriana), et même longuement éperonnée chez les espèces les plus évoluées (Centranthus). Parallèlement, il y a réduction des étamines latérales. Cette réduction se fait, curieusement, généralement en fonction du plan de symétrie des carpelles, différent de celui de la corolle, et la fleur n’a alors plus aucun plan de symétrie.

Le fruit est un cypsele, un achène souvent surmonté d’un pappus d’origine calicinale, parfois ailé. En effet, le calice est généralement très réduit, voire virtuel : il ne se développe qu’après la fécondation de l’ovaire, et engendre au-dessus du fruit une aigrette de poils. Ce phénomène se retrouve, de façon très accentuée, chez les Asteraceae. La graine est exalbuminée. L'embryon est bien développé et droit.

Le Valerianella locusta est souvent cultivé, car ses feuilles disposées en rosette basale sont consommées en salade (mâche). La valériane (Valeriana officinalis) est également cultivée, car sa racine est antispasmodique. Le Centranthus ruber, ou valériane rouge, ou encore lilas d’Espagne, est fréquemment rencontré. De Nardostacys jatamansi des régions himalayennes sont tirés des parfums et des teintures.