ข้าวเป็นไม้ล้มลุกปีเดียว ยกเว้นข้าวป่าบางชนิดอายุหลายปี ลำต้นรูปทรงกระบอก แตกเป็นกอ สูงได้ถึง ๑.๕ ม. มีข้อและปล้อง ๑๐-๓๐ ปล้อง ปล้องกลวง ผิวเรียบ บริเวณโคนต้นปล้องสั้นและหนากว่าที่ปลาย ข้อตัน โป่งพอง ข้อบริเวณโคนต้นมีราก และมีตาที่ซอกกาบใบข้อละ ๑ ตา

 ใบเรียงสลับ รูปแถบ ปลายเรียวแหลม โคนสอบ ขอบมีขนสาก เส้นกลางใบเห็นชัดทางด้านล่าง เส้นแขนงใบขนานกันตามยาว กาบใบเกลี้ยงโอบหุ้มปล้อง ๒ ข้างของปลายกาบที่ติดกับแผ่นใบ มีติ่งใบ ซึ่งในข้าวเรียก เขี้ยวใบ มีลักษณะเป็นกลุ่มขนอ่อน เหนือปลายกาบด้านในมีลิ้นใบ เรียก เยื่อกั้นน้ำฝน มีลักษณะเป็นแผ่นบางค่อนข้างยาว ปลายแหลม เมื่อใบแก่จะแยกเป็น ๒ แฉก ใบสุดท้ายที่ติดกับช่อดอกมีขนาดเล็กกว่าใบอื่น เรียก ใบธง

 ช่อดอกแบบช่อแยกแขนง ออกที่ยอด เรียกช่อดอกข้าวว่า รวง ก้านช่อดอกว่า คอรวง และแกนกลางช่อดอกว่า แกนรวง มีแขนงช่อแยกไปอีก ๒ ครั้ง แขนงช่อย่อยครั้งที่ ๒ เรียกว่า ระแง้ ซึ่งเป็นที่เกิดของช่อดอกย่อย ช่อดอกย่อยรูปขอบขนานหรือรูปขอบขนานแกมรูปไข่ แบนด้านข้าง ก้านสั้น มีดอกย่อยสมบูรณ์เพศ ๑ ดอกที่ปลาย และที่โคนมีดอกย่อยที่ไม่สมบูรณ์ ๒ ดอก โคนช่อดอกย่อยมีปุ่มขนาดเล็กมาก ๒ อัน อยู่เยื้องกันคือ กาบของช่อดอกย่อยที่ลดรูป เหนือขึ้นไปจากส่วนนี้มีกาบปลายแหลมข้างละอัน เป็นกาบล่างที่เหลืออยู่ของดอกย่อย ๒ ดอก ซึ่งไม่มีทั้งกาบบนและตัวดอก ดอกสมบูรณ์ประกอบด้วยกาบดอก ๒ อัน เนื้อหยาบ แข็ง พับครึ่งตามยาวหุ้มตัวดอกไว้ กาบล่างกว้างกว่ากาบบน ปลายแหลมเป็นติ่งหรือยื่นยาวเป็นรยางค์แข็ง มีเส้นตามยาว ๕ เส้น กาบบนปลายเรียวแหลม ขอบซ้อนอยู่ภายในกาบล่างเล็กน้อย มีเส้นตามยาว ๓ เส้น วงกลีบรวมลดรูปเป็นเกล็ดขนาดเล็ก เรียก กลีบเกล็ด มี ๒ อัน อยู่ด้านในโคนกาบบน เกสรเพศผู้มี ๖ อัน รังไข่อยู่เหนือวงกลีบ รูปรี มี ๑ ช่อง ออวุลมี ๑ เม็ด ก้านยอดเกสรเพศเมียมี ๒ เส้น ยอดเกสรเพศเมียมีขนยาวนุ่มเป็นพู่

 ผลแบบผลแห้งเมล็ดติด รูปขอบขนานหรือรูปขอบขนานแกมรูปไข่ มีกาบแข็งสีเหลือง ๒ กาบหุ้ม

 ข้าวเปลือก (paddy) คือ ผลที่มีกาบ ๒ กาบหุ้ม เมื่อนำไปสีหรือตำให้กาบหลุด ได้เมล็ดข้าวสีน้ำตาลหรือสีแดงเรียก ข้าวกล้อง (brown rice) บางทีเรียก ข้าวแดง ส่วนกาบที่หลุดไปเรียก แกลบ (hull, husk) ข้าวกล้องนับว่าเป็นผลแท้ของข้าว คือมีผนังผลเชื่อมติดกับเปลือกเมล็ดรวมเป็นชั้นบาง เมล็ดประกอบด้วยส่วนใหญ่ ๒ ส่วน คือ เอ็มบริโอและเอนโดสเปิร์ม ในทางการค้าเรียกเอ็มบริโอข้าวว่า จมูกข้าว เอนโดสเปิร์มมีองค์ประกอบเป็นแป้ง ยกเว้นผิวชั้นนอกที่เรียกชั้นแอลิวโรนเป็นโปรตีน เมื่อนำข้าวกล้องหรือข้าวที่แกลบหลุดไปสีหรือตำต่อไปเพียงเล็กน้อยจนได้เมล็ดข้าวสีน้ำตาลอ่อนหรือสีนวล เรียกข้าวนี้ว่า ข้าวซ้อมมือ และเรียกผงสีน้ำตาลที่หลุดออกมาว่า รำ (bran) หรือรำข้าว (rice bran, rice pollishing) รำก็คือบางส่วนของผนังผลและเปลือกเมล็ด หากข้าวถูกขัดหรือสีต่อไปจนเป็นสีขาวหรือใส โปรตีนในชั้นแอลิวโรนและบางส่วนของแป้งจะหลุดออกมารวมเป็นรำด้วย เรียกข้าวที่สีหรือขัดจนเป็นสีขาวว่า ข้าวสาร (white rice, pollished rice)

 ข้าวขึ้นได้ดีทั้งในเขตร้อนและเขตอบอุ่น ตั้งแต่ละติจูดที่ ๕๓ องศาเหนือ ถึง ๓๕ องศาใต้ ที่สูงตั้งแต่ระดับน้ำทะเลจนถึงประมาณ ๒,๕๐๐ ม. ส่วนมากจะปลูกข้าวในนาน้ำฝน หรือนาที่มีการชลประทาน แต่ก็ปลูกได้ในที่ลุ่มน้ำลึกหรือที่ดอน นอกจากนี้ ข้าวยังขึ้นได้ทั้งในดินที่เป็นกรดและเป็นด่าง ระดับ pH 3-10 หรือในดินที่มีความเค็มถึงร้อยละ ๑ อุณหภูมิที่เหมาะสมอยู่ระหว่าง ๓๐-๓๔ องศาเซลเซียส แต่ก็ขึ้นได้ที่อุณหภูมิระหว่าง ๑๐-๔๐ องศาเซลเซียส ด้วย

 ปัจจุบันข้าวที่ปลูกบริโภคมีอยู่ ๒ ชนิด คือ ข้าวเอเชีย (Oryza sativa L.) และ ข้าวแอฟริกา (O. glaberrima Steud.)

 ข้าวเอเชีย มีโครโมโซม ๒ ชุด (AA) = ๒๔ มีถิ่นกำเนิดในเอเชีย ปลูกทั่วไปในทวีปเอเชีย อเมริกา ออสเตรเลีย ยุโรป และแอฟริกา มี ๒ สายพันธุ์คือ สายพันธุ์อินเดีย สายพันธุ์ญี่ปุ่น

 ข้าวแอฟริกามีโครโมโซม ๒ ชุดเช่นกัน แต่เป็นชนิด AgAg มีถิ่นกำเนิดในประเทศมาลี แอฟริกาตะวันตก ปลูกเฉพาะทางภาคตะวันตกของทวีปแอฟริกาเท่านั้น

 ข้าวเอเชียมีวิวัฒนาการมาจากข้าวป่า ๒ ชนิด คือ หญ้าข้าวผี (O. rufipogon Griff. ชื่อสามัญ Wild perennial rice) ซึ่งมีวิวัฒนาการเป็น ข้าวป่าปีเดียว (O. nivara Sharma & Shastry ชื่อสามัญ Wild annual rice) แล้ววิวัฒนาการเป็นข้าวเอเชีย (O. sativa L. ชื่อสามัญ Asian rice) ซึ่งแยกได้เป็น ๓ พวก พวกที่ปลูกในเขตร้อน เรียกว่า indica พวกที่ปลูกในหมู่เกาะชวา เรียกว่า javanica และพวกที่ปลูกในเขตอบอุ่น เรียกว่า sinica หรือ japonica

 ข้าวในเขตร้อนโดยมากปลูกกันอยู่ ๒ พันธุ์ คือ ข้าวเจ้า และข้าวเหนียว ทั้ง ๒ พันธุ์มีต้นและลักษณะอย่างอื่นคล้ายกันมาก แตกต่างกันเฉพาะส่วนภายในเมล็ดที่เป็นแป้ง และองค์ประกอบของแป้งในเมล็ด คือ ข้าวเจ้ามีแป้งสีขาวใส หรืออาจมีสีขาวขุ่นที่ด้านข้างหรือตรงกลางเมล็ดเรียกว่า ท้องไข่ หรือ ท้องปลาซิว ประกอบด้วย amylose ร้อยละ ๑๕-๓๐ ส่วนข้าวเหนียวมีแป้งสีขาวขุ่น ประกอบด้วย amylopectin เป็นส่วนใหญ่ และมี amylose ร้อยละ ๕-๗ เท่านั้น

 ข้าวที่ปลูกในประเทศไทยมีหลักฐานทางโบราณคดีแสดงว่า ได้มีการปลูกข้าวในประเทศไทยมาแล้วไม่ต่ำกว่า ๕,๐๐๐ ปี ปัจจุบันพันธุ์ปลูกมีลักษณะและชื่อต่างกันมีไม่น้อยกว่า ๓,๕๐๐ ชื่อ พันธุ์ปลูกเหล่านี้อาจแบ่งออกเป็น ๔ กลุ่มใหญ่ตามสภาพดินฟ้าอากาศและสภาพแวดล้อม ได้แก่

 ข้าวไร่ (upland rice, hill rice) คือ พันธุ์ที่ปลูกบนที่ดอนหรือตามไหล่เขาที่ไม่มีน้ำขังส่วนมากมักปลูกแบบหยอดลงหลุมเพราะปรับระดับพื้นดินไม่ได้

 ข้าวนาสวน (lowland rice, swamp rice หรือ wet paddy) คือ พันธุ์ที่ปลูกทั่วไปในพื้นที่ที่มีน้ำขัง หรือที่มีการเก็บกักน้ำในกระทงนาที่มีคันนาล้อมรอบระดับน้ำไม่เกิน ๕๐ ซม. วิธีการปลูกทำได้โดยการปักดำหรือหว่าน

 ข้าวนาเมือง ข้าวขึ้นน้ำ หรือ ข้าวฟางลอย (floating rice) คือ พันธุ์ที่สามารถยืดตัวตามระดับน้ำที่สูงขึ้นได้ ๑-๔ ม. และน้ำขังอยู่ประมาณ ๑ เดือน ข้าวพันธุ์นี้มีปล้องยาวและปล้องใกล้ผิวน้ำโตกว่าปล้องที่ลึกลงไปในน้ำ

 ข้าวน้ำลึก (deep water rice) คือ พันธุ์ที่ขึ้นได้ในที่น้ำลึก ๐.๕-๒ ม. และน้ำขังอยู่นานกว่า ๑ เดือน

 ข้าวมีความสำคัญพอ ๆ กับข้าวสาลี ประชากรกว่าครึ่งของโลกบริโภคข้าวเป็นอาหารหลัก ผลผลิตข้าวทั่วโลกมีมากกว่า ๔๕๐ ล้านตันต่อปี ผลผลิตในเอเชียมีมากกว่า ๔๐๐ ล้านตันต่อปี ประเทศจีนผลิตข้าวได้มากที่สุด แต่ประเทศไทยส่งข้าวออกมากที่สุดประมาณร้อยละ ๔๐ ของตลาดโลก

 ในประเทศไทยนอกจากมีข้าวปลูกอยู่ทั่วทุกภาคแล้ว ยังมีข้าวป่าหลายชนิดขึ้นอยู่ตามธรรมชาติอีกด้วย บางทีเรียกหญ้า เช่น หญ้าข้าวผี หญ้าข้าวทาน หญ้าข้าวป่า และภาคกลางเรียกว่า ข้าวละมาน หรือ หญ้าละมาน ข้าวป่าเหล่านี้ที่สามารถนำมาปรับปรุงพันธุ์ได้คือ

 ๑. O. rufipogon Griff. หญ้าข้าวผี เป็นข้าวป่าหลายปี ต้นสูงมากกว่า ๑ ม. รวงใหญ่กระจาย เมล็ดเมื่อสุกสีดำ มีรยางค์แข็ง ยาว ร่วงง่าย มีโครโมโซม ๒ ชุด (AA) = ๒๔ ขึ้นอยู่ในที่โล่งแจ้งเป็นแอ่งน้ำลึกหรือลึกมาก ขยายพันธุ์ด้วยเมล็ดและข้อ ผสมพันธุ์กับข้าวปลูกได้ ทนน้ำลึก มีละอองเรณูมาก ต้านทานต่อโรคขอบใบแห้ง

 ๒. O. nivara S. D. Sharma & SVS. Shastry ข้าวป่าปีเดียว เป็นข้าวป่าปีเดียว ต้นสูง ๐.๘-๑.๖ ม. ส่วนมากกอตั้ง เมล็ดมีรยางค์แข็ง เมื่อสุกสีดำ ร่วงง่าย ติดเมล็ดน้อยถึงปานกลาง มีโครโมโซม ๒ ชุด (AA) = ๒๔ พบทั่วทุกภาคของประเทศ ขึ้นในที่โล่งแจ้งเป็นแอ่งน้ำตื้น ขยายพันธุ์ด้วยเมล็ด ทนแล้ง และต้านทานต่อโรคเขียวเตี้ยซึ่งเกิดจากเชื้อไวรัสได้

 ๓. O. fatua K. D. Koenig ex Trin. เป็นข้าวป่าอายุปีเดียว กอตั้งแข็งแรง มีความผันแปรสูง เกิดจากการผสมข้ามพันธุ์ของข้าวป่ากับข้าวปลูก จึงมีลักษณะกึ่งข้าวป่าและข้าวปลูก มีโครโมโซม ๒ ชุด (AA) = ๒๔ มีการกระจายพันธุ์ได้กว้างขวาง ขึ้นในที่โล่งแจ้งใกล้ ๆ แปลงข้าวปลูก ขยายพันธุ์ด้วยเมล็ด อย่างไรก็ตามมีรายงานว่า O. fatua K. d. Koenig ex Trin. เป็นชื่อพ้องของ O. rufipogon Griff. (Chang and Harahap, 1996)

 ๔. O. officinalis Wall. ex Watt เป็นข้าวป่าหลายปี ต้นสูง ๐.๓-๒ ม. รวงกระจาย ยอดเกสรเพศเมียสีดำ เมล็ดเมื่อสุกสีดำ มีรยางค์แข็ง ร่วงง่าย มีโครโมโซม ๒ ชุด (CC) = ๒๔ ขึ้นในที่แดดรำไร ออกดอกตลอดปี ทนแล้งและต้านทานต่อแมลง

 ๕. O. ridleyi Hook. f. จังหวัดปราจีนบุรี เรียกว่า หญ้าข้าวทาม เป็นข้าวป่าหลายปี ต้นสูง ๐.๓-๑ ม. กอตั้งตรงและแผ่ ใบหนา เขียวเข้ม รวงค่อนข้างกระจาย ยอดเกสรเพศเมียสีม่วง กาบนอกยาวมากกว่าครึ่งหนึ่งของเมล็ด เมล็ดมีรยางค์แข็ง สั้น ร่วงง่าย ติดเมล็ดน้อย มีโครโมโซม ๔ ชุด (BBCC) = ๔๘ ขึ้นในที่แดดรำไร ทนร่มเงา ต้านทานโรคไหม้ โรคขอบใบแห้ง หนอนกอ และแมลงอื่น ๆ

 ๖. O. meyeriana (Zoll. & Moritzi) Baill. var. granulata (Nees & Arn. ex Watt) Duist ชื่อพ้อง O. granulata Nees & Arn. ex Watt จังหวัดกาญจนบุรี เรียกว่า ข้าวนก เป็นข้าวป่าหลายปี ต้นสูงประมาณ ๘๐ ซม. ลำต้นเล็ก แตกกอน้อย ใบคล้ายใบไผ่ ช่อดอกเดี่ยว ไม่แตกแขนง ยอดเกสรเพศเมียสีขาว เมล็ดสุกสีดำ ไม่มีรยางค์แข็ง ร่วงง่าย ติดเมล็ดน้อย มีโครโมโซม ๒ ชุด = ๒๔ ขึ้นในที่ชื้น แดดรำไร ออกดอกตลอดปี ทนร่มเงา และทนแล้ง.