La famille est représentée dans toutes les régions tropicales et tempérées, dans des milieux très divers. Beaucoup de ses représentants ont des tiges volubiles et sont caractéristiques des milieux à végétation buissonante (Ipomoea, Calystegia), ou des milieux ouverts, dans des terrains plus secs, y compris dans les dunes sablonneuses. Les espèces arbustives ligneuses sont plus communes en climat méditerranéen ou semi-desertique, mais elles possèdent souvent des rameaux rampants ou grimpants. Les espèces ligneuses sont caractéristiques des régions tropicales ou subtropicales, où de grands arbustes et même des arbres de 10 m. de hauteur peuvent se rencontrer. Quelques espèces ont colonisé des habitats aussi différents que les eaux saumâtres et les eaux froides. Ce sont des plantes très heliophiles, excepté pour les espèces parasites (Cuscuta).

Les deux genres les plus importants en nombre d'espèces sont Ipomoeae d'affinité nettement tropicale, et Convolvulus, cosmopolite mais d'affinité plus tempérée.

Les Convolvulaceae regroupent essentiellement des herbes annuelles ou vivaces, quelquefois parasites, ou des lianes aux tiges volubiles s'enroulant fréquemment dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre, mais il existe aussi des arbustes, et plus rarement des arbres. Les tiges et rameaux secrètent souvent du latex, sont dépourvus de vrilles et sont parfois épineux. Les racines de certaines espèces perennes peuvent se tubériser ou se développer en d'imposants tubercules.

Les feuilles sont alternes, simples ou plus rarement palma- ou pédatiséquées. Le limbe est souvent sagitté, hasté ou cordé. Elles peuvent être quasimment absentes chez les espèces parasites. Les stipules sont absentes, mais on trouve parfois des pseudostipules se développant à partir de l'abortion de rameaux axillaires.

Le genre Cuscuta mérite une mention spéciale : ce sont des herbes lianoïdes, comme les liserons, mais leurs feuilles sont réduites à des écailles et dépourvues de chlorophylle. Elles vivent en parasite sur diverses plantes autour desquelles s'enroulent leurs tiges filiformes, volubiles, munies de suçoirs adhérants aux végétaux voisins. Ainsi, ces espèces peuvent causer d'importants dégâts dans certaines cultures.

Les fleurs sont bisexuées, actinomorphes, souvent avec une involucre de bractées. Elles sont solitaires ou groupées en cymes, racèmes, panicules, ombelles ou pseudo-capitules. Elles sont généralement très voyantes.

Elles ont 5 sépales libres, quelquefois soudés, souvent persistants ou accrescents, imbriqués. Le limbe des pétales est parfois profondemment lobé. La corolle est sympétale, avec 5 pétales, de type funneliforme, campanuliforme, salviforme, urcéolée ou rotacée. Elle possède une préfloraison indupliquée valvaire, souvent contortée, et est plissée dans le bouton.

Les 5 étamines libres mais soudées à la base du tube de la corolle, plus rarement dans la gorfe (Cuscuta), sont alternipétales. Les filets sont filiformes, égaux ou inégaux, et les anthères sont introrse, à dehiscence latérale et longitudinale. Le disque, hypogune, est annulaire ou cupuliforme. L'ovaire est supère, formé de 2, rarement 3-5, carpelles soudés formant 2 loges, chacune ayant 2, rarement 1-4, ovules érigés à placentations basale ou axile. Il est surmonté d'un style à deux stigmates. Quelques espèces primitives ont encore 5 carpelles et certaines, surevoluées, ont un style gynobasique (Dichondra). 

Le fruit est un capsule à dehiscence valvaire, circumsessile ou irrégulière, plus exceptionellement une baie ou une nucule. Les graines, quelquefois poilues, sont trigones et pauvres en albumen. L'embryon recourbé ou même enroulé, à cotylédons larges et plissés, excepté chez Cuscuta où ils sont absents, est très caractéristique de la famille. 

C'est une famille considérée comme proche des Solanaceae, elles en diffèrent essentiellement par leur port et la présence de laticifères. Mais elle est aussi rapprochée des Boraginaceae et des Polemoniaceae.

Les caractères des styles, stigmates et ovaires sont retenus pour délimiter deux sous familles et 3-10 tribus selon les tendances. 

Les Cuscutoideae sont des herbes parasites et presque aphylles, parfois individualisées comme Cuscutaceae, et ne regroupent que le genre Cuscuta.
Les Convolvuloieae regroupent tous les autres genres dans un certain nombre de tribus dont les principales sont les Convolvuleae (Convolvulus, Dichondra, Evolvulus, Bonamia, Neuropeltis, Porana, Erycibe, Jacquemontia, Aniseia, Calystegia, Hewittia, Merremia, Operculina, Decalobanthus, et les Ipomoeae (Ipomoea, Mina, Lepistemon, Stictocardia, Turbina, Argyreia).

Chez les Convolvulaceae, la patate douce est une racine tubéreuse riche en amidon de l'espèce Ipomoea batatas ; elle est cultivée dans toute la zone chaude du globe. Il en existe de nombreuses variétés, parfois nommées à tort ignames, cultivées dans les régions tropicales, notamment au Japon. 

Le latex des racines de Convolvulaceae contient des gluco-résines et des gommes-résines employées en médecine comme purgatifs : la scammonée (Convolvulus scammonia), le jalap (Exogonium purga), le turbith (Ipomoea turpethum). Les liserons à grandes fleurs sont des espèces du genre Ipomoea, fort appréciés en horticulture ainsi que les belles-de-jour, ou lisets (Convolvulus tricolor). L'Ipomoea purpurea et s'autres espèces plus tropicales sont aussi ornementales.