Les Vitaceae sont des arbustes grimpants, parfois sarmenteux, ou de petits arbres, caducs ou persistants, ou encore des herbes vivaces ou des plantes succulentes. Leurs tiges portent chez beaucoup d'espèces des vrilles simples ou ramifiées, se terminant quelquefois par des disques adhésifs (Vitis), et opposées aux feuilles. Celles-ci sont toujours alternes, les feuilles inférieures pouvant être parfois opposées, et stipulées, les stipules, intrapétiolaires, étant souvent réduits et caducs, simples ou plus souvent composées, généralement palmatifides. Le limbe a une nervation palmée, des marges entières à disséquées, et possèdent souvent des domaties.

Chez Vitis et quelques autres genres, la croissance de l'appareil végétatif est sympodiale. La situation des inflorescences et le fait que souvent elles aient un rameau transformé en vrille, ou que des vrilles portent une ou deux fleurs, prouvent que les vrilles sont homologues des inflorescences. Selon une interprétation souvent admise mais inexacte, ces organes seraient les parties terminales des rameaux, parties rejetées latéralement par le développement du bourgeon axillaire de la feuille supérieure ; ce bourgeon produirait un tronçon de rameau relayé à son tour par le développement du bourgeon axillaire de la feuille qu'il porte ; les pousses annuelles seraient donc elles aussi des sympodes, constituées de tronçons d'ordres successifs. En réalité, la feuille opposée à une vrille a formé un bourgeon axillaire qui développe à sa base, sans entre-nœud préalable, un bourgeon de seconde génération non pourvu d'une feuille sous-tendante ; ce bourgeon glisse sur la tige principale, y effectue une rotation de 180° et se trouve ainsi opposé à la feuille de première génération. Quant à la ramification même de la vrille, elle est sympodiale.

L'anatomie montre un periderme sous épidermique (Cissus, Ampelopsis), péricyclique ou intra libérien (Vitis), de l'oxalate de calcium en prismes, macles ou raphides. Les poils tecteurs sont fréquents, alors que les poils sécréteurs sont très rares. Enfin, les tiges et les feuilles possèdent des cellules à mucilage.

Les inflorescences oppositifoliées portent des fleurs bisexuées ou unisexuées, la plante étant alors généralement monoique, polygamo-monoique ou plus rarement polygamo-dioique. Ce sont généralement des dichasium composés, des corymbes ou des polychasium paniculés.

Les fleurs, bractéolées, sont fréquemment petites, verdâtres, sont actinomorphes. Les 4-5 sépales, unisériés, sont persistants, libres ou soudés, et dans ce cas confluent en une petite coupe terminée par 4-5 dents à peine reconnaissables. Les 4-5 pétales, valvaires, sont soudés ou libres à leur base et unis en un capuchon apical (Vitis) : à l'anthèse, ils se détachent et le capuchon tombe d'une pièce, rejeté par les étamines, dont les filets courbés vers l'intérieur dans le bouton se redressent brusquement.
Il y a 4-5 étamines insérées à l'aisselle des pétales, unisériées et alternisépales. Les anthères biloculaires sont à déhiscence longitudinale et introrse. Entre elles, se trouvent frequemment les 5 lobes d'un disque nectarifère intrastaminal. L'ovaire supère possède 2 ou 3-6 carpelles, formant généralement 2 loges, parfois plus, entre 3 et 6. Chacune renferme 1 ou 2 ovules ascendants et anatropes ou apotropes, sur des placentas axiles. Le style est très court, et le stigmate discoïde, ou plus rarement à 4 lobes comme chez Tetragyna. Les fleurs sont protandres, la pollinisation est assurée par le vent ou par les insectes.

Le fruit est une baie ; les graines ont un embryon droit entouré d'un abondant albumen parfois ruminé (Vitis). 

C'est une famille proche des Rhamnaceae, mais qui s'en écarte par l'ovaire, toujours supère, qui comporte souvent deux loges carpellaires biovulées, par les fruits, qui sont toujours des baies, et par les graines, qui sont protégées par un spermoderme dur et épais et qui contiennent un albumen abondant, lobé ou ruminé, et un petit embryon. Les fossiles connus les plus anciens de la famille datent de l'Eocène inférieur.

Quelques Ampelocissus ont des fruits comestibles. Il en est de même de divers Cissus. On cultive, surtout le long des murs, des Ampelopsis et des Parthenocissus.

Mais les Vitaceae sont connues surtout par la vigne (Vitis vinifera), dont la culture remonte à l'Antiquité et s'est étendue à presque tous les pays dont le climat lui est favorable. Le genre Vitis comporte, outre V. vinifera, diverses espèces d'intérêt économique : V. aestivalis et V. labrusca, espèces nord-américaines qui ont été largement utilisées pour reconstituer les vignobles européens après les attaques du Phylloxera. Il existe une telle multitude de races qu'il est presque impossible de définir quel est le pays d'origine de la vigne et quelle en est la race la plus proche de la plante sauvage primitive. On estime souvent qu'il s'agit de Vitis vinifera sylvestris , qui serait indigène dans le sud de l'Europe, jusque dans la vallée du Rhin supérieur, en Asie Mineure et même en Inde. Le jeune plant de vigne porte 2 cotylédons opposés entiers, puis 6-10 feuilles végétatives insérées selon une spirale et semblables à celles des plantes adultes, mais plus petites ; à l'aisselle de ces feuilles se forment des bourgeons qui portent d'abord deux petites écailles, puis des feuilles adultes. Après cette phase juvénile, la tige principale prend ses caractères adultes et forme désormais des feuilles distiques, c'est-à-dire insérées alternativement à droite et à gauche de la tige, dont les bourgeons axillaires n'ont plus qu'une écaille, leur deuxième feuille étant déjà de type adulte ; ces feuilles pétiolées ont des stipules caduques et un limbe profondément palmatilobé à nervation palmée. La tige produit en outre des vrilles ramifiées, extra-axillaires et oppositifoliées, selon un ordre déterminé de telle sorte que, sur chaque rangée de feuilles, se rencontrent successivement deux feuilles, une vrille, une feuille, une vrille, deux feuilles, etc. Chaque année, à la chute des feuilles, le sommet de la tige meurt. C'est le bourgeon latéral situé le plus haut qui construit l'année suivante un nouveau tronçon de tige : la tige pluriannuelle de la vigne est donc sympodiale, formée de tronçons annuels à croissance monopodiale, fils les uns des autres. Puis les tronçons annuels deviennent plus longs, prennent un caractère lianescent, s'étalent horizontalement et – conséquence aussi de la disposition distique de leurs feuilles – acquièrent une structure dorsiventrale. Dès l'âge de 3 ans environ, les vrilles inférieures d'une pousse annuelle sont remplacées par des inflorescences. Chez V. viniflora, le fruit est une baie bleue, jaune ou verte, dont la pulpe, formée de 10 à 20 % de sucre, renferme une à quatre graines à spermoderme osseux et à albumen dur, riche en huile.