Die Küchenzwiebel ist eine ausdauernde krautige Pflanze, die in der Kultur jedoch meist nur ein- oder zweijährig gehalten und dann geerntet wird. Ihre Sprossachse bleibt bis zur Blütenbildung zu einem flachen scheibenförmigen Gebilde gestaucht, das Zwiebelscheibe oder Zwiebelkuchen genannt wird. Das Apikalmeristem auf der Oberseite der Zwiebelscheibe bringt an seinem Rand, abwechselnd gegenüberliegend und daher scheinbar zweizeilig (nach botanischer Terminologie aber grundständig), etwa 10 bis 15 ungestielte, deutlich in Unter- und Oberblatt gegliederte Laubblätter hervor. Die Unterblätter sind von weißlicher Farbe mit grüner Aderung, ähnlich wie Blattscheiden geformt, und umgreifen einander straff, sodass sie in ihrem oberen Teil einen mehrere Zentimeter langen Scheinspross bilden, im unteren Teil fleischig verdickt die bekannte „Zwiebel“ als Speicherorgan. Die rein grünen Oberblätter verwachsen zu Röhren mit geschlossener Spitze, die hohl und im Querschnitt annähernd oval sind. Ihre Zellanordnung ist die eines bifazialen Blattes, die Außenseite der Röhre entspricht der Oberseite.
Sind die biologischen Voraussetzungen für eine Blütenbildung gegeben, gewöhnlich erst ab der zweiten Vegetationsperiode, streckt sich die Zwiebelscheibe zu einem 20 bis 120 cm langen, unbeblätterten, röhrig-hohlen, im Querschnitt kreisförmigen Infloreszenzschaft, der im unteren Teil bauchig aufgetrieben erscheint. Das Apikalmeristem verbleibt an seiner Spitze und bildet keine neuen Laubblätter mehr. Der Blütenstand ist eine fast kugelförmige Scheindolde aus 20 bis mehr als 100 Einzelblüten, die vor dem Aufblühen noch von einem Hochblatt umhüllt sind. Die Blüten sind 20 bis 40 mm lang gestielt, ihre Blütenhüllblätter sind weißlich mit grünem Mittelnerv.
Die Blütenbildung setzt voraus, dass die Pflanze zunächst eine gewisse Zahl von Blättern entwickelt hat und außerdem gegen Ende der vorigen Vegetationsperiode oder in der Ruheperiode für gewisse Zeit niedrigen Temperaturen ausgesetzt war. Im Pflanzenbau nennt man derartige Vorgänge Vernalisation. Die nötige Temperatur und deren Einwirkungsdauer sind von der Sorte und von der Trockenmasse der einzelnen Zwiebel abhängig. Bei handelsüblichen mitteleuropäischen Sorten rechnet man mit ungefähr 6 °C über mindestens zwei Wochen. Relativ hohe Temperaturen während der Ruheperiode können einen bereits initiierten Blütenansatz wieder vernichten. Davon wird im Ertragsanbau Gebrauch gemacht, wenn eine Blütenbildung unerwünscht ist.
Die Nährstoffspeicherung und damit die Ausbildung des Speicherorgans wird von der Photoperiode bestimmt, d. h., sie kommt nur bei einem bestimmten Verhältnis von Tag- und Nachtlänge in Gang. In Anpassung an die entsprechenden Gegebenheiten verschiedener geographischer Breiten hat die Züchtung zur Differenzierung in sogenannte Langtag- und Kurztagsorten geführt. Diese Bezeichnungen sind nicht gleichzusetzen mit den sogenannten Langtag- und Kurztagpflanzen der biologischen Terminologie, bei denen es ausschließlich um die Blütenbildung geht. Wenn die Belichtungsansprüche der jeweiligen Sorte nicht erfüllt sind, kann die Zwiebelpflanze zwar Blätter, Blüten und Samen bilden, aber keine oder nur eine unterentwickelte Zwiebel.
Das Speicherorgan wird von der Botanik als Schalenzwiebel eingestuft, weil sie aus Teilen normaler Laubblätter entsteht, im Unterschied zu Schuppenzwiebeln, die aus Niederblättern hervorgehen. Neben den voll ausgebildeten Laubblättern kommen bei der Küchenzwiebel jedoch auch solche vor, die nur aus dem Unterblatt bestehen. Dadurch ist die Zahl der in einer Zwiebel anzutreffenden Schalen meist größer als die der zuvor ohne weiteres sichtbaren Blätter. Zwischen den Blatt- bzw. Schalenansätzen, d. h. achselständig, werden auf der Oberfläche der Zwiebelscheibe außerdem eine oder mehrere Knospen angelegt, die das Wachstum in der nächstfolgenden Vegetationsperiode fortsetzen und dabei die in den vorjährigen Schalen gespeicherten Nährstoffe aufbrauchen. Die ausgezehrten Schalen vertrocknen zu papierdünnen Häuten, die sich noch lange Zeit halten und eine schützende Hülle um die neue Zwiebel bilden.
Die Züchtung hat sich auch dieses Merkmals angenommen und darauf orientiert, dass die „gewöhnliche“ Küchenzwiebel möglichst nur eine einzige Erneuerungsknospe und damit eine einfache Zwiebel bildet. Bei den als Schalotten bezeichneten Sorten sind dagegen mehrere Knospen und somit Tochterzwiebeln erwünscht, weil sie zur vegetativen Vermehrung benötigt werden.
