Der Gartenkürbis ist eine einjährige krautige Pflanze. Er wächst sowohl als Kletterpflanze oder kriechende Pflanze mit langen Ranken als auch in buschiger Form mit kurzen, begrenzt wachsenden Trieben ohne Ranken. Die einfachen Laubblätter sind lang gestielt. Die herzförmigen Blattspreiten sind sehr groß und stark gelappt bis tief eingeschnitten. Die ästigen Blattranken sind wahrscheinlich aus Mittelrippen abzuleiten. Sie reagieren in wenigen Sekunden auf eine Belastung von weniger als einem Millionstel Gramm. Bei feuchtem Wetter erfolgt die Reaktion so schnell, dass man die Einkrümmung verfolgen kann. Der Sprosszuwachs kann bis zu 14 cm pro Tag betragen.
Sie ist einhäusig getrenntgeschlechtig (monözisch) und blüht von Juni bis August. Die Trichterblüten sind vormittags geöffnet. Die goldgelbe Blütenkrone hat einen Durchmesser von 7 bis 10 cm. Die Kronröhre der männlichen Blüten ist becherförmig, etwas eingeschnürt und mit pfriemförmigen bis lanzettlichen Zipfeln versehen. Die Zuckerproduktion im Nektar ist mit 28 mg pro Tag und Blüte sehr hoch. Die Blüten werden reichlich von Bienen und Hummeln besucht. Die stacheligen Pollenkörner sind mit 0,2 mm Durchmesser und einem Gewicht von nur 0,001 mg die größten der in Mitteleuropa wachsenden Pflanzen.
Die Frucht ist gelb bis orange (bei einigen Zuchtformen auch andersfarben), rundlich oder länglich und erreicht eine Größe von 15 bis 40 cm im Durchmesser. Die Früchte sind Beeren (Panzerbeeren); sie können über 30 kg schwer werden. Das Fruchtfleisch ist faserig.
Von anderen kultivierten Kürbis-Arten lässt er sich durch folgende Merkmale unterscheiden: Der Fruchtstiel ist hart, eckig, tief gefurcht und nur selten am Fruchtansatz verbreitert. Die Sprossachse sowie die Blattstiele sind mit einzeln stehenden, borstigen „Haaren“ (Trichomen) besetzt. Die Blätter sind handförmig gelappt, häufig tief eingeschnitten und ebenfalls stechend behaart. Die Samen sind stumpf weiß bis bräunlich, mit glatter Oberfläche, deutlichem, aber glattem Rand, der sich farblich nicht vom Rest des Samens unterscheidet. Die Samennarbe ist quadratisch bis rund.
Die Chromosomenzahl beträgt 2n = 40.
