แตงสอยดาวเป็นไม้เลื้อยล้มลุก ยาว ๘-๒๕ ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง ๓-๔ มม. ลำต้นสีเขียว มีขนอุยสีน้ำตาลหรือสีขาวขุ่น ยาวประมาณ ๑ มม. มือจับแยกเป็น ๔-๙ แขนง บนยอดอ่อนมีขนยาวได้ถึง ๓ มม.
ใบเดี่ยว เรียงสลับ รูปไข่กว้างหรือรูปค่อนข้างกลม ไม่มีแฉก เป็นแฉกตื้น ๓-๕ แฉก หรือเป็นเหลี่ยมกว้าง ๑๐-๑๘ ซม. ยาว ๕-๑๔ ซม. ปลายแหลมถึงเรียวแหลมหรือเป็นติ่งหนาม ยาวได้ถึง ๑.๒ ซม. โคนรูปหัวใจ ขอบเรียบ แผ่นใบมีขนอุยสีขาวทั้ง ๒ ด้าน มีต่อมประปรายทั่วไป เส้นผ่านศูนย์กลางต่อมประมาณ ๐.๕ มม. เส้นโคนใบ ๕ เส้น เส้นแขนงใบข้างละ ๓-๕ เส้น ก้านใบยาว ๕-๙ ซม.
ดอกแยกเพศต่างต้น ออกตามซอกใบ สีขาวดอกเพศผู้เป็นดอกเดี่ยวหรือเป็นช่อแบบช่อกระจะยาว ๑๐-๓๐ ซม. มีขนปกคลุม บางครั้งออกร่วมกับดอกเดี่ยว ก้านช่อยาว ๕-๑๓ ซม. เส้นผ่านศูนย์กลาง ๒-๓ มม. มี ๑๐-๒๐ ดอก ใบประดับรูปไข่กลับ กว้าง ๒-๔ ซม. ยาว ๒-๖ ซม. มีต่อมประปรายทั่วไป ขอบค่อนข้างเรียบหรือหยักซี่ฟันตื้น ดอกเพศผู้มีขนหนาแน่น ก้านดอกยาวประมาณ ๓ ซม. ฐานดอกเป็นหลอด ยาว ๒.๕-๓ ซม. โคนป่องออกเป็นรังไข่เทียม ปากหลอดกว้าง ๐.๘-๑.๒ ซม. กลีบเลี้ยง ๕ กลีบ สีเขียว รูปสามเหลี่ยมแคบหรือรูปแถบ กว้าง ๑-๒ มม. ยาว ๑.๓-๒ ซม. ขอบเรียบ กลีบดอก ๕ กลีบ รูปลิ่ม ยาว ๑.๕-๒ ซม. มีขนละเอียด ปลายมีขนครุยยาวประมาณ ๑ ซม. เกสรเพศผู้ ๓ เกสร ยาว ๑-๑.๒ ซม. เรียงชิดกัน ติดใต้ปากหลอด ก้านชูอับเรณูยาว ๒-๓ มม. ดอกเพศเมียเป็นดอกเดี่ยว ก้านดอกยาว ๓-๕ ซม. กลีบเลี้ยงและกลีบดอกคล้ายของดอกเพศผู้รังไข่อยู่ใต้วงกลีบ รูปทรงรี ยาวประมาณ ๑ ซม. มีขนมี ๑ ช่อง มีออวุลจำนวนมาก ก้านยอดเกสรเพศเมียเล็กเรียว ยอดเกสรเพศเมียมี ๓ แฉก พบน้อยที่มี ๔ หรือ ๕ แฉก
ผลแบบผลเปลือกเหนียว คล้ายผลมีเนื้อหนึ่งถึงหลายเมล็ด รูปทรงรี กว้างประมาณ ๑๑.๕ ซม. ยาวประมาณ ๑๔ ซม. เกลี้ยง สีเขียว สุกสีเหลือง มีลายเป็นแถบสีขาวตามยาว เปลือกผลบาง เหนียว เนื้อผลสีขาวหนาประมาณ ๑.๕ ซม. เป็นเส้นใยละเอียดและมีเมือกรสหวาน ก้านผลยาวประมาณ ๕ ซม. หนา ๓-๕ มม. เมล็ดแบน สีน้ำตาลอ่อน รูปไข่แกมรูปขอบขนาน กว้าง ๑.๑-๑.๒ ซม. ยาว ๒.๓-๒.๗ ซม. หนา ๕-๖ มม. ปลายตัดโคนมน มีรอยบากและขอบหนาเป็นสันนูน ขอบกว้าง ๒-๓ มม. เรียบ
แตงสอยดาวมีเขตการกระจายพันธุ์ในประเทศไทยทางภาคเหนือ ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ภาคตะวันออกเฉียงใต้ และภาคตะวันตกเฉียงใต้ พบตามที่ค่อนข้างชื้นตามทุ่งหญ้า ริมลำธาร ชายป่า ที่สูงจากระดับทะเลปานกลาง ๑๕๐-๕๐๐ ม. ออกดอกและเป็นผลเดือนกันยายนถึงธันวาคม ในต่างประเทศพบที่จีนตอนใต้ภูมิภาคอินโดจีน และภูมิภาคมาเลเซีย.