Лимон — небольшое вечнозелёное плодовое дерево высотой до 5—8 м, с раскидистой или пирамидальной кроной. Встречаются деревья в возрасте 45 лет.
Кора сероватая, слегка трещиноватая на многолетних ветвях и зелёная или красновато-фиолетовая, гладкая на однолетних побегах, обычно с колючками, реже без них.
Листья кожистые, зелёные, длиной 10—15 см, шириной 5—8 см, глянцевые, лоснящиеся сверхней стороны и светло-зелёные и матовые с нижней, цельнокрайные, с жилкованием, при рассматривании на свету точечные (от просвечивающих вместилищ эфирного масла), широкоовальные или продолговато-яйцевидные, с обоих концов заострённые, на коротких (от 1 до1,8 см), бескрылых или крылатых (на ростовых побегах) черешках, с заметным сочленением при основании листовой пластинки, опадающие обычно раз в 3 года.
Цветки пазушные, одиночные или парные, не крупные 2-3 смс неяснозубчатой чашечкой и пятичленным венчиком. Лепестки чисто белые или слегка кремовые, снаружи розоватые или пурпурные, сильно отогнутые, голые, с тонким нежным ароматом.
Цветок и завязь культурного лимона
Плод длиной 6—9 см, диаметром 4—6 см, гесперидий яйцевидный или овальный, к обоим концам суженный, с соском на верхушке, светло-жёлтый, с трудно отделяющейся бугорчатой или ямчатой коркой, содержащей множество желёзок с эфирным маслом. Внутренняя часть плода с несколькими гнёздами. Семена яйцевидные, жёлто-зелёные или белые, в разрезе зеленоватые.
Цветёт, начиная с весны. Плоды созревают осенью.
Любопытно строение листа лимона: на первый взгляд это простой лист. В ботанике сложным листом называется такой, который состоит из нескольких отдельных пластинок (листочков), причём эти листочки опадают по отдельности. У лимона листовая пластинка опадает отдельно от черешка — черешок опадает позже. Следовательно, лист лимона по происхождению является сложным, но у него все доли, кроме одной, исчезли.
Мякоть плодов содержит значительное количество органических кислот (лимонная, яблочная), пектиновые вещества, сахара (до 3,5 %), каротин, фитонциды; витамины — тиамин, рибофлавин, аскорбиновая кислота (до 0,085 %), рутин, флавоноиды, производные кумарина, галактуроновую кислоту, сесквитерпены, гесперидин, эриоцитрин, эридиктиол. В семенах имеются жирное масло и горькое вещество лимонин. Жирное масло найдено также в ветках и листьях (0,24 %). В коре обнаружен гликозид цитронин.
Характерный запах лимона обусловлен наличием эфирного (лимонного) масла в различных частях растения. Основные компоненты эфирного масла лимона — терпен, α-лимонен (до 90 %) и цитраль (до 6 %).