Die Gewürzvanille ist eine immergrüne Kletterpflanze, der spärlich verzweigte Spross erreicht Längen von 10–15 m. Die dunkelgrüne Sprossachse ist im Querschnitt rund und meist etwa 1, seltener bis 2 cm dick. Die Länge der Internodien ist recht variabel und beträgt 4–10 cm, gelegentlich mehr. Die nicht oder nur sehr kurz gestielten Blätter sind länglich oder länglich-oval geformt, an der Basis abgerundet, am Ende spitz oder mit lang ausgezogener Spitze. Die Blattlänge beträgt 8–25 cm, die Breite 2–8 cm. Jedem Blatt gegenüber entspringt eine Luftwurzel, die zuerst im Querschnitt rund ist, sich bei Kontakt jedoch flach und fest an eine Unterlage heften kann. Die Luftwurzeln verfügen – wie bei vielen anderen epiphytischen Orchideen – über ein Velamen radicum, mit dem sie Wasser und darin gelöste Nährstoffe aufnehmen, speichern und in tiefer gelegenen Schichten weiterleiten können.
Der Blütenstand entspringt den Blattachseln im oberen Bereich der Pflanze, sehr selten sitzt er endständig am Trieb. Die Blütenstandsachse ist im Querschnitt leicht kantig und misst 0,4–1 cm im Durchmesser. Sie wird 5–8 cm lang, ist leicht gebogen und trägt 6–15, gelegentlich auch 20–30 Blüten. Jede Blüte steht in der Achsel eines kleinen länglichen bis ovalen Tragblattes. Die Tragblätter werden 0,5–1,5 cm lang und 0,7 cm breit. Die duftenden, gelblich-grünen Blüten sind von wachsartigem Aussehen. Innerhalb eines Blütenstandes blühen sie nacheinander auf, wobei eine einzelne Blüte nur etwa acht Stunden geöffnet ist, bevor sie verwelkt. Der Fruchtknoten ist etwas gebogen, 4–7 cm lang bei 0,3 bis 0,5 cm Durchmesser; im Querschnitt ist er fast rund. Die äußeren Blütenblätter (Sepalen) weisen auch bei geöffneter Blüte nach vorne, sie sind länglich bis leicht spatelförmig, die Enden sind stumpf und nach außen gebogen, die Länge beträgt 4–7 cm bei 1–1,5 cm Breite. Die seitlichen Petalen gleichen den Sepalen, sie sind etwas kleiner und nicht so dick. Auf ihrer Außenseite zeichnet sich die Mittelrippe als erhabener Kiel ab. Die Lippe wird 4–5 cm lang und 1,5–3 cm breit. Besonders im vorderen Bereich ist sie dunkler und klarer gelb als die übrigen Blütenblätter. An der Basis ist sie für ein Stück mit der Säule verwachsen, auch weiter vorn sind die Seiten der Lippe nach oben geschlagen und umhüllen die Säule, die Spitze ist ausgebreitet oder nach unten umgeschlagen. Der vordere Rand der Lippe ist leicht gewellt. Längs der Lippe laufen mehrere Reihen warziger Papillen, die in der Mitte am längsten sind. Ob diese Papillen ein Futtergewebe darstellen oder nur zur Verstärkung der Schauwirkung dienen, ist bisher unklar. Mittig auf der Lippe sitzt ein nach hinten gerichtetes Haarbüschel. Die Säule wird 3–5 cm lang, nach vorne leicht keulenförmig verdickt, auf der Unterseite behaart. Die Kapselfrucht (umgangssprachlich „Vanilleschote“ genannt) wird 10–25 cm lang bei 0,8–1,5 cm Durchmesser, sie ist nicht gebogen. Bei der Reife springt sie entlang zweier Schlitze auf und setzt zahlreiche glänzende, dunkelbraune bis schwarze Samen frei.
Die Chromosomenzahl beträgt 2n = 25, 26, 28 oder 30-32.