Большинство видов являются кустарниками 1—3 м высотой, некоторые виды — небольшие деревья, остальные — лианы, забирающиеся по стволам других деревьев на высоту до 30 м.

Растения могут быть как листопадными, так и вечнозелёными, однако широко культивируемые виды умеренного пояса относятся к листопадным.
Цветут гортензии с весны до поздней осени. Цветки собраны на конце стебля в красивые шарообразные соцветия — щиток или метёлку. У большинства видов цветочные головки содержат два типа цветков: мелкие плодущие (фертильные) цветки в середине и крупные бесплодные (стерильные) цветки по краям. У некоторых видов все цветки плодущие и имеют один и тот же размер.
В подавляющем большинстве цветки белые, однако у некоторых, таких как гортензия крупнолистная (Hydrangea macrophylla), они могут быть синими, красными, розовыми и сиреневыми. У таких видов цвет часто зависит от уровня pH (водородного показателя) в почве: в кислых почвах лепестки приобретают синюю окраску, в нейтральных — бледно-бежевую, а в щелочных — розовую или сиреневую. Гортензии — одни из немногих растений, способных накапливать в себе алюминий, который выделяется из кислых почв и у некоторых видов образует соединения, дающие им синие оттенки.
Плод гортензии — 2—5-раздельная коробочка с многочисленными мелкими семенами.
Растения из другого близкого рода Схизофрагма (Schizophragma) также иногда называют гортензиями. Среди вьющихся растений наиболее известны Схизофрагма гортензиевидная (Schizophragma hydrangeoides) и Гортензия черешчатая (Hydrangea petiolaris).