Les Geraniaceae sont des plantes herbacées annuelles ou vivaces, plus rarement des sous-arbrisseaux caducs ou plus rarement persistants. Les tiges possèdent souvent des noeuds articulés qui sont, avec les feuilles, fréquemment couverts de poils glanduleux. arfois, les tiges sont succulentes (Sarcocaulon), et la pachycaulie est parfois présente, chez des espèces d'Afrique du sud.

Les feuilles, alternes ou opposées, pétiolées, sont simples et palmatifides ou pinnatifides, ou composées et palmatilobées. La nervation est palmée ou plus rarement pennée. Elles sont parfois aromatiques et recouvertes dans ce cas de poils glanduleux capités. Les stipules sont interpétiolaires ou intrapétiolaires, parfois épineuses ou écaileuses.

Les fleurs sont rassemblées en cymes bipares ou en pseudo-ombelles axillaires ou terminales, elles sont rarement solitaires. Les bractées involucrales sont frequemment présentes.

Bractéolées, elles sont bisexuées et actinomorphes à plus ou moins zygomorphes, par le périanthe et parfois l'androcée (Pelargonium). Elles sont tetracycliques à polycycliques. Le disque hypogyne est généralement présent, parfois absent (Pelargonkium) ou fragmenté et alternant avec les carpelles.

Le périanthe se compose de 5 sépales libres, plus rarement connés à la base, et imbriqués. Le calice est parfois inégal, mais jamais bilabié, et est parfois pourvus d'appendices à la base, chez Pelargonium, le membre postérieur est prolongé en un tube adné au pédoncule Les 5 pétales sont libres et uniseriés, imbriqués ou contortés, parfois réduits au nombre de 2 ou inégaux. Ils sont généralement onguiculés.

Les 5-15 étamines sont libres ou connées à la base, disposées sur 1-3 verticilles ou en 5 faisceaux triandres. Des staminodes sont parfois présentes, généralement au nombre de 1-5 et disposées à l'exterieur des étamines fertiles. Chez les Erodium, les 5 étamines du verticille interne, episépales, sont les seules fertiles, celles du verticille externe étant réduites à des staminodes .Les anthères sont tetrasporangiées, dorsifixes, généralement versatiles, introrses, et dehiscentes par des fentes longitudinales. Le gynécée comporte 5 carpelles connés et prolongés en un bec, sauf chez les genres Bierbersteina, Viviania et Dirachma, formant un ovaire supère à 5 loges. Il y a 8 carpelles chez Dirachma. La placentation est axile. Il y a 1-2 ovules par loges, pendants ou ascendants, anatropes à campylotropes, généraleent épitropes. Le style est unique et apical, et les stigmates sont papillés.

Les fruits sont schizocarpiques, à dehiscence elastique et hygroscopique depuis le point central, donnant 5 mericarpes monospermes. Ceux-ci restent souvent accrochés au sommet des styles par deux touffes de poils soyeux qui aideront à leur dispersion. Les carpelles s'ouvrent ultérieurement par une fente longitudinale, libérant les graines. Plus exceptionellement, les fruits sont capsulaires (Viviana). Les graines sont généralement dépourvues d'endosperme et exotegumentées. L'embryon est droit à courbé et les cotylédons sont aplatis. La germination est phanérocotylée.

On distingue généralement cinq sous-familles chez les Geraniaceae.

Les Geranioideae sont caractérisées par la présence d'un ovaire prolongé par un bec, comprennent presque la moitié des genres : Geranium, Pelargonium, Erodium, Monsonia et Sarcocaulon. 

Les Wendtioideae comprennent trois genres : Balbisia, Wendtia et Rynchotheca, et elle est parfois séparée de la famille en tant que Ledocarpaceae. 

Les trois autres sous-familles, très réduites puisque ne comprenant qu'un genre chacune, n'ont pas d'ovaire prolongé par un bec : Biebersteinoideae (Biebersteinia au fruit monosperme), Vivianioideae (Viviania au fruit capsulaire) et Dirachmoideae (Dirachma avec 8 carpelles).