Многолетние травянистые или полукустарниковые растения, используемые в культуре как однолетние. Стебли прямостоячие или стелющиеся, густоветвистые. Листья расположены в очередном порядке или супротивно (верхние), мягкие, цельные. Стебли и листья опушены простыми и железистыми волосками. Цветки белые, пурпуровые или красноватые, одиночные, конечные или пазушные, на коротких цветоносах, простые или махровые, правильные или слегка неправильные. Плод — двустворчатая коробочка с очень мелкими семенами. 

Семена петунии мелкие, диаметром 0,5—0,6 мм и длиной 0,6—0,7 мм, темно-коричневые (у некоторых сортов желтоватые). В 1 г содержится около 5000 семян у крупноцветковых форм и до 10 000 — у многоцветковых. Плод — двухстворчатая коробочка длиной 10—13 мм и шириной 7—8 мм, конической формы, при созревании желтовато-коричневого цвета. В одной коробочке может содержаться 100—110 семян. Чаще всего семена петунии продают в пакетах поштучно.

Махровые формы семян завязывать не могут, поскольку махровость петунии обусловлена превращением завязи в лепестки. Тычинки при этом развиты нормально, и их бывает больше, чем в немахровом цветке. Махровость растений передается при опылении немахровых растений пыльцой махровых, при этом махровость в образце составляет лишь 30—45% (в настоящее время в продаже можно встретить гибриды с махровостью, близкой к 100%). Петуния — перекрестноопыляющееся растение, чему способствует протерогиния, т. е. созревание пестиков раньше тычинок. Однако в отдельных случаях у нее возможно самоопыление. У некоторых растений отмечается самонесовместимость и цитоплазматическая мужская и женская стерильность, которые используют при получении гетерозисных гибридов.

Бутоны петунии развиваются около 7 суток, каждый цветок открыт около 5 суток. Семена созревают примерно через 4 недели после опыления. В условиях центральных районов Нечерноземья в отдельные годы петуния может давать самосев. После полного созревания семян им требуется 3—4 месяца для дозаривания при комнатной температуре. Семена сохраняют всхожесть 3—4 года.