Der Kreuzkümmel wächst als relativ zarte, einjährige, krautige Pflanze etwa bis 40–50 Zentimeter hoch. Der feinrippige Stängel ist kahl und leicht verzweigt. Die Pflanze bildet eine schmale Pfahlwurzel aus. Die wechselständigen, gestielten und kahlen Laubblätter sind ein- bis zweifach fiederschnittig, mit schmalen Abschnitten. Sie besitzen kurze Blattscheiden. Die weißen oder rosafarbenen bis rötlichen gestielten Blüten stehen in kleineren, achselständigen und langstieligen Doppeldolden mit kleinen, wenigblütigen Döldchen. Bei den Dolden sind längere, einfache und linealische oder zwei- bis dreiteilige, manchmal grannenspitzige Hüllblätter vorhanden. Es sind etwa so viele Hüllblätter wie Doldenstrahlen vorhanden. Bei den Döldchen sind drei bis fünf kleinere, linealische Hüllblätter vorhanden. Die Hüllblätter der Dolden und Döldchen besitzen kleinere Blattscheiden.
Die zwittrigen, protandrischen Blüten sind fünfzählig mit doppelter Blütenenhülle. Die ungleichen Kelchzipfel sind schmal-dreieckig und grannenspitzig. Die verkehrt-breiteiförmigen Petalen sind vorne stumpf und bis dreispitzig, der mittige Spitz oder Zipfel ist oft eingebogen, -geklappt, so dass die Petalen dann verkehrt-herzförmig erscheinen. Es sind fünf freie Staubblätter vorhanden. Der zweikammerige Fruchtknoten ist unterständig, in einem leicht rippigen und feinborstigen, ellipsoiden Blütenboden, mit zwei kurzen, ausgebogenen Griffeln die auf einem kleinen, fleischigen Stylopodium (Diskus) sitzen. Die Narben auf den Griffeln sind klein und kopfig.
Es werden ellipsoide und gelblich-braun-gräuliche Spaltfrüchte (eigentlich Scheinfrüchte) mit feinborstigen Rippen gebildet. Die etwa 4–6 Millimeter langen Doppelachänen enthalten zwei einseitig abgeflachte, etwas konkave, einsamige Merikarpien, die an einem Karpophor hängen, welche Öldrüsen aufweisen. Den Früchten haften oft noch etwas scharfe Kelchreste, -zipfel und Griffelreste an. Die kleinen Borsten der Früchte lassen sich leicht abreiben.
