Este género de vid-como las plantas tiene un monopodial escalada habitus. Pueden formar tallos largos y delgados con una longitud de más de 35 m, con hojas alternas extendidas a lo largo de su longitud. Las hojas cortas, oblongas, de color verde oscuro de vainilla son gruesas y coriáceas, incluso carnosas en algunas especies. Pero también hay un número significativo de especies que tienen sus hojas reducidas a escamas o se han vuelto casi o totalmente sin hojas y parecen usar sus tallos trepadores verdes para la fotosíntesis. Raíces aéreas largas y fuertes crecen desde cada nodo.

Las flores de corta duración de la inflorescencia racemosa surgen sucesivamente en pedúnculos cortos de las axilas o escamas de las hojas. Puede haber hasta 100 flores en un solo racimo, pero generalmente no menos de 20. Las flores son bastante grandes y atractivas con colores blanco, verde, amarillo verdoso o crema. Los sépalos y pétalos de las flores son similares. El labio es de forma tubular y rodea la columna larga y erizada, abriéndose, como la campana de una trompeta, en su ápice. La antera está en la parte superior de la columna y cuelga sobre el estigma, separada por el rostelo. La mayoría de las flores de vainilla tienen un aroma dulce.

La floración ocurre solo cuando las flores están completamente desarrolladas. Cada flor se abre por la mañana y se cierra por la tarde el mismo día, para nunca volver a abrir. Si la polinización no se ha producido mientras tanto, se eliminará. Las flores son autofértiles, pero necesitan polinizadores para realizar esta tarea. En el Neotrópico, se presumía históricamente que las flores eran polinizadas por abejas sin aguijón (por ejemplo, Melipona) o colibríes, pero esto nunca se confirmó; la única polinización documentada real (es decir, la producción de semillas) se registra para una abeja orquídea, Eulaema meriana, que visita Vanilla grandiflora en Perú, y se han observado polinias de especies de vainilla unidas a otras especies de Eulaema en Panamá. La polinización manual es el método más confiable en vainilla cultivada comercialmente. Las plantaciones de vainilla requieren árboles para que las orquídeas trepen y se anclen por sus raíces.

La fruta se denomina «haba de vainilla», aunque las judías verdaderas son eudicotas fabáceas que no están estrechamente relacionadas con las orquídeas. Más bien, la fruta de vainilla es técnicamente una cápsula alargada, carnosa y dehiscente posterior de 10-20 cm de largo. Madura gradualmente durante 8 a 9 meses después de la floración, con el tiempo se vuelve de color negro y desprende un fuerte aroma. Cada vaina contiene miles de semillas diminutas, y tanto las vainas como las semillas que contiene se utilizan para crear sabor a vainilla. Los granos de vainilla se cosechan a mano en huertos comerciales.

Las especies de vainilla son utilizadas como alimento por las larvas de algunas especies de Lepidópteros, como las polillas del oso lanudo Hypercompe eridanus y H. icasia. Fuera de temporada o cuando están abandonados, pueden servir como hábitat para animales de bosque abierto, por ejemplo, en las Comoras para el gecko del día de Robert Mertens (Phelsuma robertmertensi).