Vegetative Merkmale
Die Zuckermelone ist eine einjährige Pflanze und bildet ein bis fünf Meter lange, meist rankende Sprosse aus. Es gibt jedoch auch kompakte Cultivare mit kurzen Internodien. Die Sprossachsen sind rund, ihre Behaarung ist relativ weich verglichen mit der verwandten Gurke. Die Ranken sind unverzweigt und stehen einzeln an den Knoten. Die Blätter sind acht bis 25 Zentimeter lang und gleich breit. Sie sind im Umriss leicht herzförmig mit fünf abgerundeten Ecken. Der Blattrand ist fein gezähnt.
Generative Merkmale
Die Pflanzen sind monözisch, bilden also an einer Pflanze männliche und weibliche Blüten. Viele Kultivare sind jedoch andromonözisch (besitzen männliche und zwittrige Blüten an einer Pflanze). Die männlichen Blüten stehen in wenigblütigen Blütenständen, die weiblichen stehen einzeln. Die Kelchzipfel sind pfriemlich und kürzer als die Kelchröhre. Die Krone ist blassgelb und hat einen Durchmesser von zwei bis drei Zentimetern.
Die Frucht ist eine ovale bis runde Panzerbeere, die kopfgroß werden kann. Bei großen Früchten werden nur eine oder zwei pro Pflanze gebildet. Die Oberfläche ist je nach Varietät verschieden: glatt bei der Wintermelone, mit netzartigen Korkleisten bei der Netzmelone und mit warzig-wulstiger Oberfläche mit Längsrillen bei der Cantaloupe-Melone. Unreife Früchte sind behaart, reife sind kahl. Das Fruchtfleisch ist von grüner bis gelber, auch orangefarbener, weißer oder pinker Farbe und enthält zahlreiche längliche, abgeflachte Samen. Es gibt süße sowie nicht süße Sorten.
Die Chromosomenzahl ist 2n = 24.
