Die Sauerkirsche kann als Busch, Strauch oder Baum wachsen und erreicht Wuchshöhen von 1 bis zu 10 Metern. Als Baum weist sie eine lockere, rundliche Krone auf. Ihre Äste sind abstehend und hängen oft über. Die Rinde ist rötlichbraun, glänzend und hat große Lentizellen. Später entwickelt sich eine Ringelborke. Junge Zweige sind dünn und kahl. Die Langtriebe besitzen eine Endknospe. Kurztriebe entspringen gehäuft an den Enden der Langtriebe. Die Laubblätter sind 5 bis 12 cm lang, 4 bis 6 cm breit, elliptisch-eiförmig und meist zugespitzt; ihre Oberfläche ist glänzend und etwas lederig. Die Unterseite weist lediglich an den Nerven eine schwache Behaarung auf, der Blattrand ist fein und oft doppelt gesägt. In der Knospenlage sind die Blätter gefaltet. Der Blattstiel ist 1–3 cm lang und kann Drüsen aufweisen.
Die Blüten der Sauerkirsche sind zu zweien bis vieren in sitzenden Dolden angeordnet. Die Knospenschuppen bleiben bis nach dem Verblühen an den Dolden vorhanden. Die inneren Knospenschuppen sind aufrecht. Am Grund der Dolden befinden sich wenige, kleine Laubblätter. Die Blüten erscheinen zeitgleich mit den Blättern. Der Blütenstiel ist 2–4 cm lang, kahl und abstehend. Die Blüten haben einen Durchmesser von 2–2,5 cm. Der Blütenbecher ist breit glockenförmig und kahl. Die Kelchblätter sind kahl, bräunlich und in der Regel fein gezähnt. Die Kronblätter sind weiß, 10–13 mm lang, ganzrandig und fast kreisrund. Die ungefähr 20 gelben Staubblätter sind ein bisschen kürzer als die Kronblätter.
Die Steinfrucht der Sauerkirsche hat einen Durchmesser von 15 bis 20 mm und ist mehr oder weniger kugelig, geringfügig höher als breit, kahl, unbereift und hell- bis schwarzrot. Das Fruchtfleisch schmeckt säuerlich und ist rot gefärbt oder ungefärbt. Der Steinkern ist bis zu 10 mm lang, kugelig bis eiförmig, stumpf und glatt.
Ihre Blütezeit reicht von April bis Mai.
Die Chromosomenzahl der Sauerkirsche beträgt 2n = 32.
