Der Zitronenbaum wächst als kleiner bis mittelgroßer, immergrüner Baum. Im Vergleich zu anderen Zitruspflanzen ist er raschwüchsig und groß. Vor allem junge Triebe sind mit kleinen, dünnen Dornen besetzt. Der Austrieb ist rötlich, auch die Knospen sind rosa, die ansonsten weißen Blütenblätter auf der Unterseite rosa bis violett.
Die Laubblätter sind länglich-oval bis breit lanzettlich, zugespitzt, am Rand leicht gesägt oder gekerbt. Der Blattstiel ist etwas verbreitert (geflügelt), die Blattspreite ist deutlich vom Blattstiel abgesetzt (unifoliates Blatt).
Die duftenden Blüten erscheinen verteilt über das ganze Jahr in wenigblütigen Blütenständen. Sie haben einen Durchmesser von etwa 20 bis 30 Millimetern und bestehen aus fünf verwachsenen Kelchblättern sowie fünf freien Blütenblättern. Der Fruchtknoten ist dick zylinderförmig und geht in den Griffel über. Die 20 bis 40 Staubblätter sind mit den Staubfäden zu mehreren Gruppen verwachsen.
Die Bestäubung erfolgt in der Regel durch Insekten, aber auch Windbestäubung und Selbstbefruchtung durch direkten Kontakt der Staubblätter mit der Narbe sind bei Citrus häufig anzutreffen.
Die Frucht (Hesperidium), die Zitrone, besteht aus acht bis zehn Segmenten, die mit hellgelben Saftschläuchen gefüllt sind. Jedes Segment ist von einem dünnen Häutchen (Endokarp) umgeben, die ganze Frucht von einer zweigeteilten Schale. Die innere Schicht der Schale ist weiß (Mesokarp, Albedo), die äußere bei der Reife grün (Exokarp, Flavedo), in subtropischen Gebieten im Winter auch gelb. In der Schale sitzen zahlreiche Öldrüsen. Sie verströmt einen aromatischen Duft.
Auch den Blättern ist der typische Zitronengeruch eigen. An der Spitze der Frucht befindet sich meist eine kleine Ausstülpung. Die Samen sind relativ klein, glatt und zugespitzt. Im Innern sind sie weiß.
