Les Hydrophyllaceae sont caractérisées par leurs exigences écologiques extrêmement souples, ce qui confère à ces plantes des types biologiques variés et nombreux : plantes xérophiles, sciaphiles, hydrophiles, aquatiques, de plaine, de haute montagne... La famille est cosmopolite, mais concentrée en des lieux isolés. Ainsi, elle est absente d'Europe et de la majeure partie d'Eurasie, des régions arctiques et d'Afrique du nord.

Les fleurs sont solitaires ou groupées en cymes hélicoïdales compactes ou en panicules. Elles sont bisexuées et actinomorphes.

Le calice possède 5 sépales libres ou soudés, avec ou sans auricule entre les lobes. La corolle, plus ou moins gamopétale, avec 5 lobes, est rotacée, campanuliforme ou infundibuliforme. Les 5 étamines libres sont insérées à la base du tube de la corolle. Elles ont souvent une paire de petits appendices à la base de chaque filet, ceux-ci protégeant les nectaires utiles à la pollinisation par les abeilles. Les anthères sont biloculaires, à dehiscence longitudinale. L'ovaire est supère, formé de 2 carpelles soudés avec 1-2 loges, chacune contenant 2 ou plusieurs ovules sessiles ou pendants, sur des placentas pariétaux pour les ovaires uniloculaires, et axiles pour les biloculaires. Il y a 1-2 styles. 

Le fruit est une capsule loculicide, rarement septicide ou à dehiscence irregulière. Les nombreuses graines ont un albumen charnu et un embryon réduit.

Les Hydrophyllaceae ont, comme les Boraginaceae, des poils rudes et des inflorescences scorpioïdes bleues, mais la préfloraison est toujours tordue et le fruit est capsulaire. Les Hydrophyllaceae sont aussi proches des Polemoniaceae. La famille est homogène, séparée en genres sur la base des caractères du fruit et de la graine.