火龙果为多年生攀援性的多肉植物。植株无主根，侧根大量分布在浅表土层，同时有很多气生根，可攀援生长。根茎深绿色，粗壮，长可达7米，粗10～12公分，具3棱。棱扁，边缘波浪状，茎节处生长攀援根，可攀附其他植物上生长，肋多为3条，每段茎节凹陷处具小刺。

火龙果由于长期生长于热带沙漠地区，其叶片已退化，光合作用功能由茎干承担。茎的内部是大量饱含粘稠液体的薄壁细胞，有利于在雨季吸收尽可能多的水分。芽内有数量较多的复芽和混合芽原基，可以抽生为叶芽、花芽。花芽发育前期，在适宜的温度条件下，可以向叶芽转化。而旺盛生长的枝条顶端组织，也可以在适当的条件下抽生花芽。

火龙果花白色，巨大子房下位，花长约30公分，故又有霸王花之称。花萼管状，宽约3公分，带绿色（有时淡紫色）的裂片。具长3～8公分的鳞片。花瓣宽阔，纯白色，直立，倒披针形，全缘。雄蕊多而细长，多达700～960条，与花柱等长或较短。花药乳黄色，花丝白色。花柱粗，0.7～0.8公分，乳黄色。雌蕊柱头裂片多达24枚。

火龙果的果实长圆形或卵圆形，表皮红色，肉质，具卵状而顶端急尖的鳞片，果长10～12公分，果皮厚，有蜡质。果肉白色或红色。有近万粒具香味的芝麻状种子，故称为芝麻果。