Vegetative Merkmale
Die Zitronenmelisse ist eine ausdauernde, krautige Pflanze, die 25 bis 30 Jahre alt werden kann und Wuchshöhen von 20 bis 90, selten 120 Zentimetern erreicht. Sie bildet ein Rhizom, von dem kurze, unterirdische Ausläufer abgehen. Sie duftet mehr oder weniger stark nach Zitronen.
Die Behaarung ist meist spärlich, die Pflanzen können auch fast kahl sein (Indument). Die selbständig aufrechten bis aufsteigenden Stängel sind verzweigt und mit 0,5 Millimeter langen Drüsenhaaren und 1 bis 2 Millimeter langen, abstehenden drüsenlosen Haaren besetzt.
Die gegenständig angeordneten Laubblätter sind in Blattstiel und Blattspreite gegliedert. Der Blattstiel ist 1,5 bis 3,5 Zentimeter lang. Die einfache Blattspreite ist bei einer Länge von 2 bis 6, selten 9 Zentimetern sowie einer Breite von 1,5 bis 5, selten 7 Zentimetern breit-eiförmig bis rhombisch oder länglich mit gestutztem oder keilförmigem Spreitengrund und stumpfem oder kurz zugespitztem oberen Ende. Der Blattrand ist grob und ziemlich regelmäßig kerbig gesägt.
Blütenstand, Blüte und Frucht
Die Blütezeit reicht von Juni bis August. Drei bis sieben Blüten stehen in Halbquirlen zusammen in den Achseln der oberen Laubblätter. Der Blütenstiel ist 2 bis 6 Millimeter lang. Die Vorblätter sind 2 bis 5 Millimeter lang, ganzrandig und eiförmig-lanzettlich.
Die zwittrigen Blüten sind zygomorph und fünfzählig mit doppelter Blütenhülle. Der 7 bis 9 Millimeter lange Kelch ist mit abstehenden weichen Haaren sowie kurzen Drüsenhaaren besetzt und zweilippig. Er ist röhrig-glockig, zur Blütezeit 7 bis 8, zur Fruchtzeit 8-bis 9 Millimeter lang. Seine Oberlippe hat kleine Zähne, die Unterlippe lanzettlich-dreieckige, begrannte Zähne, die fast doppelt so lang wie die der Oberlippe sind. Die Krone ist 8 bis 15 Millimeter lang, zu Beginn der Anthese blassgelb, später weiß bis rötlich. Die Kronröhre ist 8 bis 12 Millimeter lang, stark aufwärts gekrümmt, allmählich trichterförmig erweitert und innen locker behaart. Die Antheren liegen unter der Kronoberlippe. Die Narbenäste sind fast gleich lang und liegen unter der Kronoberlippe. Die Klausen sind 1,5 bis 2 Millimeter lang, kastanienbraun und verschleimen, wenn sie feucht werden. Sie sind 2 bis 3 Jahre lang keimfähig. Das Tausendkorngewicht beträgt 0,6 g.
Chromosomensatz
Die Chromosomenzahl beträgt 2n = 32.