แตงพลเสนาเป็นไม้เลื้อยล้มลุก ยาว ๗-๑๕ ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง ๓-๔ มม. มือจับแยกเป็น ๒-๕ แขนง ลำต้นสีเขียว มีขนปกคลุม
ใบเดี่ยว เรียงสลับ รูปค่อนข้างกลม เป็นแฉกลึก ๕ แฉก กว้าง ๑๓-๒๘ ซม. ยาว ๑๖-๓๑ ซม. แฉกกลางรูปขอบขนาน ยาวได้ถึง ๑๗ ซม. ปลายแหลมถึงเรียวแหลมหรือเป็นติ่งหนาม ยาวได้ถึง ๑.๕ ซม. แฉกข้างคล้ายแฉกกลางแต่มีขนาดเล็กลดหลั่นลงมา โคนรูปหัวใจ เว้ากว้างขอบเรียบ มีขนทั้ง ๒ ด้าน มีต่อมกระจายทั่วไป เส้นผ่านศูนย์กลางต่อมน้อยกว่า ๐.๕ มม. เส้นโคนใบ ๕ เส้น เส้นแขนงใบในแต่ละแฉกข้างละ ๒-๓ เส้น ก้านใบยาว ๘-๑๓ ซม.
ดอกแยกเพศต่างต้น ออกตามซอกใบ สีขาวดอกเพศผู้เป็นดอกเดี่ยว หรือเป็นช่อแบบช่อกระจะหรือช่อกระจะแยกแขนง เรียงตัวกันแบบหลวม ๆ บนกิ่งด้านข้าง ทั้งช่อยาว ๐.๕-๑ ม. ช่อกระจะแต่ละช่อมีใบประดับรูปแถบ ยาว ๑-๒ ซม. อาจมีมือจับที่ลดรูปอยู่ตามข้อ ช่อกระจะโปร่ง ยาว ๖-๒๐ ซม. ก้านช่อดอกเรียว ยาว ๓-๑๔ ซม. เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ ๒ มม. แต่ละช่อมี ๓-๘ ดอก ใบประดับย่อยติดทน รูปคล้ายสี่เหลี่ยมข้าวหลามตัด กว้าง ๐.๕-๑.๕ ซม. ยาว ๑.๕-๒.๕ ซม. ปลายเรียวแหลมหรือเป็นติ่งหนาม มีต่อมเล็ก ๆ ขอบเรียบ ดอกเพศผู้มีขนปกคลุมหนาแน่น ขนยาว ๒-๔ มม. ก้านดอกยาว ๐.๕-๔ ซม. ฐานดอกเป็นหลอด ยาวประมาณ ๒ ซม. โคนป่องออกเป็นรังไข่เทียมรูปถ้วยปากหลอดกว้างประมาณ ๑ ซม. กลีบเลี้ยง ๕ กลีบ สีเขียว รูปสามเหลี่ยมหรือรูปแถบ กว้าง ๒-๓ มม. ยาว ๑.๕-๒ ซม. ขอบเรียบ กลีบดอก ๕ กลีบ รูปลิ่ม ยาว ๑.๕-๒ ซม. มีขนละเอียด ปลายมีแฉกเป็นขนครุย ยาวประมาณ ๑ ซม. เกสรเพศผู้ ๓ เกสร ยาวประมาณ ๑ ซม. เรียงชิดกัน ติดอยู่บนยอดรังไข่เทียม ก้านชูอับเรณูยาวประมาณ ๓ มม. มีขนที่โคน ดอกเพศเมียเป็นดอกเดี่ยว ก้านดอกยาว ๕-๘ ซม. กลีบเลี้ยงและกลีบดอกคล้ายดอกเพศผู้ รังไข่อยู่ใต้วงกลีบ รูปทรงรีแคบ กว้างประมาณ ๑ ซม. ยาวประมาณ ๓.๕ ซม. มีขนหนาแน่น มี ๑ ช่อง มีออวุลจำนวนมาก ก้านยอดเกสรเพศเมียเล็กเรียว ยอดเกสรเพศเมียมี ๓ แฉก พบน้อยที่มี ๔ หรือ ๕ แฉก
ผลแบบผลเปลือกเหนียว คล้ายผลมีเนื้อหนึ่งถึงหลายเมล็ด สีเขียว มีลายเป็นแถบสีขาวตามยาว รูปทรงรีแคบ กว้าง ๖-๘ ซม. ยาวประมาณ ๑๕ ซม. ผิวมีขนประปรายถึงเกือบเกลี้ยง เปลือกผลบาง แต่เหนียวคล้ายแผ่นหนัง เนื้อสีขาว ก้านผลยาวประมาณ ๑๑ ซม. เมล็ดแบน รูปทรงรี ยาวประมาณ ๑ ซม. ขอบเรียบ
แตงพลเสนาเป็นพรรณไม้ถิ่นเดียวของไทย มีเขตการกระจายพันธุ์ทางภาคตะวันตกเฉียงใต้ พบขึ้นบนหินดินดานตามป่าดิบเขา ที่สูงจากระดับทะเลปานกลาง ๗๐๐-๙๐๐ ม. ออกดอกและเป็นผลเดือนกันยายน.