Las hojas de sandía son grandes, en forma de corazón u ovaladas, y peludas, especialmente en las venas del envés. Son lobuladas palmeadas con 3 a 5 lóbulos primarios, a veces con lóbulos secundarios. Los márgenes son dentados, y las hojas miden entre 3-8 pulgadas (7.6-20.3 cm) de largo y 2-6 pulgadas (5-15.2 cm) de ancho. Las hojas, profundamente lobuladas, están dispuestas de manera alterna a lo largo del tallo y tienen una forma oblonga-ovada con una base cordada.

Las flores de sandía son de color amarillo pálido y solitarias, desarrollándose en las axilas de las hojas. Cada flor presenta un cáliz de 5 lóbulos y una corola de 5 partes. Las flores masculinas se caracterizan por tener 3 estambres, mientras que las flores femeninas tienen un ovario inferior y un estigma de 3 lóbulos. Ambos tipos de flores miden alrededor de 1-2 pulgadas (2.5-5 cm) de diámetro. Las flores son cruciales para identificar la especie, apareciendo durante la temporada de floración de la planta.

El tallo de sandía es herbáceo, a menudo angular y surcado. Está densamente cubierto de largos pelos blancos y lanosos, dándole una textura distintivamente peluda. Los tallos tienen zarcillos rizados que ayudan a trepar y extenderse. Por lo general, de forma redonda a angular, estos tallos exhiben un patrón de ramificación que apoya el crecimiento rastrero de la planta. La textura de la superficie, combinada con la densa cobertura de pelos, hace que el tallo de sandía sea fácilmente reconocible para propósitos de identificación.

El fruto de sandía es un pepón grande y carnoso, con un peso típico que va desde unos pocos kilos hasta más de 20 libras (9 kg). Presenta una forma distintiva redondeada a oblonga, con una corteza moteada verde, más gruesa y con patrones variables desde rayas verde oscuras hasta superficies de color uniforme. La corteza puede ser lisa o ligeramente peluda. En el interior, la pulpa suculenta viene en un vibrante color rojo a rosado o, menos comúnmente, una tonalidad amarillenta, que encierra numerosas semillas. Estas semillas pueden ser negras, crema o mostrar un aspecto moteado y son de forma elíptica, anidándose dentro del núcleo jugoso.