（一）形态特征
1.根
马铃薯如用种子繁殖，其根系为圆锥根系，具有明显的主根及许多支根；如用块茎繁殖，其植株所发生的根系则为纤维根系。马铃薯根系分布深度一般不超过70厘米，少数也有深达2米的。根系分布的深度与宽度，因品种和栽培条件而异，早熟品种的根系较中晚熟品种入土浅，横向分布也较窄。马铃薯根系的强弱与抗衰性和抗旱性有关，凡抗性强的品种，其根系的垂直和水平分布都深而广些。
2.茎
马铃薯的茎可分为地上茎和地下茎两部分。
（1）地上茎
地上茎是由块茎芽眼中抽生出来的枝条。植株幼小时通常直立，到生长中后期则因品种不同而有高大与矮小、直立与倾斜匍匐、分枝多少的区别。一般早熟品种植株较矮小，为40~70厘米，节间较短，茎较细，在植株形成8~9片叶时，从主茎上部发生分枝，分枝较少而节位较高。中晚熟品种植株高大，为80~120厘米，节间长，茎较粗，在植株有3~4片叶时，从主茎基部发生分枝，分枝较多。茎的色泽有绿色、紫色，是区别品种的特征之一。
（2）匍匐茎
匍匐茎是主茎地下节的腋芽伸长所形成的侧枝，通称为匍匐茎或匍枝。匍匐茎较地上茎细，其节部的叶片退化成鳞片，顶端呈钩曲状，且有横向生长的习性，入土不深。匍匐茎的长短因品种而异，一般有3~10厘米长，早熟种较短，晚熟种较长；栽培种较短，野生种较长。每一主茎的地下茎节段能产生匍匐茎的层次，依品种熟性及栽培条件而异。
（3）块茎
块茎是由匍匐茎的末节和次末节的节间极度缩短和积累大量养分缓慢膨大而成的，因此，块茎是茎的变形。块茎膨大初期，可以看到有鳞片状的退化叶，块茎稍长大，鳞片叶凋萎而留下叶痕，称芽眉。芽眉的长短、形状和明显程度，均为品种的特征。芽眉上部凹陷处即为芽眼，每个芽眼由一个主芽和两个以上侧芽组成。发芽时，主芽首先萌发，侧芽呈休眠状态，如主芽受到损害时，则侧芽萌发。这种多芽萌发的特征，在马铃薯种薯繁殖上有很大的利用价值。芽眼在块茎上呈螺旋状排列，基部稀，顶端密。每个块茎上芽眼的多少、深浅和颜色，因品种不同而有差异。块茎与匍匐茎连接的部分叫脐部，另一端叫顶部，顶部芽眼密集，一般先发芽，有顶端优势。如将顶芽摘除，或将种薯切块，都可能消除顶端优势。块茎在光照条件下发出的芽粗壮而有色，在黑暗中萌发的芽细长无色。芽的形状、色泽是鉴定品种的特征之一。
块茎的形状有圆、椭圆及长形等；皮色有白、黄、红及紫色等；肉色有白、黄、浅红及紫色，这些性状都是比较固定的品种特征。
3.叶
马铃薯先长出的几片叶称为初生叶，初生叶为单生、全缘。以后随着植株长大，逐渐出现奇数羽状复叶。复叶由顶生小叶、侧生小叶、侧生小叶间的二次小叶（或称裂片叶）和叶柄基部的托叶状小叶（或称叶耳）组成。顶生小叶一般较大，侧生小叶则成对排列，有短柄。叶面平展或微皱，上被茸毛或腺毛。茸毛有减轻蒸腾作用和吸附空气中凝聚水分的作用，腺毛能使凝聚的水分进入植物体内。
叶的形状在品种间差异很大，如叶色浓淡，叶面茸毛多少，叶面光滑或折皱程度，小叶的形状、大小、疏密、对数及托叶的形状等，皆可作为鉴定品种的依据。
4.花
马铃薯的花序为分枝型的聚伞花序，有些品种因花梗分枝缩短，各花的花柄着生在同一点上而成简单伞形花序。花着生于细长的花柄上，花柄中上部有一圈突起叫做“离层环冶，又叫花柄节，花果脱落时即由此产生离层。离层环的色素有无，环上部和下部的花柄长短，是品种的特征之一。花萼基部合生成管状，花冠合瓣，呈五角形，有白、浅红、紫红及蓝色。雄蕊5枚，着生于花瓣基部，花丝粗短，花药聚生，呈黄绿、灰黄及橙黄色，成熟时，花药顶端开一小孔，散放花粉。雌蕊的子房由二心皮构成，花柱直立或弯曲，柱头呈棒状或头状，两裂或多裂。子房上位，胚珠多数。花冠基部和子房断面有红色或紫色素时，其块茎也相应有色。
马铃薯一般为天然自花授粉，但开花结实情况因品种及栽培地区的不同而不同，变化极大。
5.果实与种子
马铃薯的果实为浆果，呈球形或椭圆形。果皮淡绿或紫绿色，有的表皮有白点。果实内含有很多种子，一般为100~300粒。种子极小，千粒重0.5~0.6克，为扁平椭圆形，呈淡黄色或暗灰色，表面粗糙。新鲜种子当代发芽率极低，隔年种子发芽率一般可达70%~80%，条件良好时可达100%。
（二）生物学特性
1.块茎的休眠
新收获的马铃薯块茎，在自然条件下，有相当一段时间不能发芽，这种现象叫做休眠。最近的研究证明，块茎休眠除皮层栓皮组织以外，块茎内还产生了一种抑制芽眼萌发的物质，称脱落酸，使芽眼不能萌芽。
休眠期的长短，与品种、栽培条件和贮藏条件有密切关系。
品种休眠期的长短是马铃薯的遗传特性。据研究，块茎的休眠期长短与其种子的休眠期呈正相关。
影响块茎休眠期长短的最明显的因素是贮藏温度。在1~3益的低温条件下贮藏，除个别无休眠的品种外，多数品种可保持长期不发芽。在20益左右温度下，经2个月芽眼即可萌动。贮藏期间的变温对某些品种的休眠期有显著影响。前期在低于10益甚至低到1益的条件下贮藏，经短时间后移至20益中贮藏，可使萌芽时间显著提早。另外，贮藏空气中的氧浓度达到5%时，也可缩短休眠期，同时还能打破顶端优势。
在短日照条件下形成的块茎，比在长日照条件下形成的块茎休眠期短。休眠期的长短还与块茎成熟度有关。收获时，地上部已枯死的，较老熟的块茎休眠期短，收获时，植株尚呈绿色，成熟度不够的块茎，休眠期较长。
了解马铃薯的休眠特性，就可以人为地缩短或延长其休眠期，以适应生产上的需要。如春秋两作地区，打破休眠的最简单方法是将块茎切块，以扩大块茎与空气的接触面，加强呼吸作用，促进生理活动，同时保持适当的温湿度进行催芽；也可用药剂处理，如用赤霉素水溶液浸块茎，进行沙埋。另一方面，为了安全贮藏或运输，需要延长休眠期，则可放在低温条件下，或采用萘乙酸甲酯抑制发芽。
2.块茎的萌发
通过休眠期或人工破除休眠的块茎，在4~5益的低温条件下，芽眼中的芽就能萌动；在12益以上，出苗加速；土温达18益时，出苗最快。从播种到出苗所需时间和土温有密切的关系，在适温范围内，温度越高，出苗所需时间越短。当土温8~9益时，播种至出苗需35~40天；土温13~15益时，需25~30天；土温16~18益时，需20~21天；土温18~20益时，需15天左右；当土温高达23益时，播种到出苗只要8~10天。
块茎上不同部位的芽眼，其发芽速度也不相同。顶部芽眼的芽，萌发快，幼芽的生长势也最旺盛；愈近脐部的芽，萌发愈慢，这就是顶端优势的表现。
块茎从萌发到出苗，幼芽基部已形成许多根点，当幼芽出土达1~2厘米时，所有根点都伸长为初生根，形成密集的初生根系。
3.植株的生长发育与块茎的形成
马铃薯的块茎从形态学而言，是变态茎。因此，块茎的形成和地上部植株的生长发育有着一定的相关性。
（1）匍匐茎的形成幼苗出土后1周左右，匍匐茎即开始从植株基部节上由下而上陆续发生，一般在出苗后15天内，地下各节的匍匐茎都已发生，并逐渐横向伸长。此时，在匍匐茎基部周围，发生分枝较少的匍匐根，同时，植株的茎叶生长逐渐加速，叶面积随之迅速增大。一般来说，早熟品种地下节部发生匍匐茎的层次少于中晚熟品种。
（2）块茎的形成出苗后20~30天，植株开始现蕾，与此同时，匍匐茎的顶端开始钩曲而膨大。同一植株的块茎大多在这时开始形成，但因匍匐茎的部位不同，营养条件不一致，从而膨大趋势有较大的差别。早熟品种的块茎开始形成的时间，较中熟品种早4~5天，比晚熟品种早10~15天，但也有中熟品种块茎膨大期较早的。块茎形成是从匍匐茎顶端的末节和次末节的伸长节间的髓部细胞连续分裂开始，迫使维管束环向外弯曲，同时，皮层周围的薄壁细胞开始辐射状分裂，使块茎不断膨大而成球形。
现蕾后10~15天开始开花，地上部茎叶生长速度最快，叶面积迅速增大，光合作用非常旺盛，茎叶制造的养分主要往块茎中输送积累。因此，在开花后15~30天期间，块茎的膨大速度极快，平均每株块茎每日增重20克，高者可达30克以上。盛花期也是地上部茎叶生长最旺盛的时期，此期前后，为地上部茎叶和地下部块茎的干、鲜重平衡期，是决定块茎大小和产量高低的关键时期。