Горчица сарептская — однолетнее растение из семейства крестоцветных. Стебель прямостоячий, ветвистый, обычно высотой от 60 до 90 см. При благоприятных условиях растения достигают высоты в 120–150 см. Стебель гладкий, иногда с редким опушением и сизоватым отливом.
Отличительной морфологической особенностью горчицы сарептской от других полевых культур является наличие у неё двух типов листьев. В первые дни жизни она образует прикорневую розетку листьев по типу обычных двулетников. Эти листья крупные, черешковые, слабоопушенные. В оптимальных погодных условиях листья достигают больших размеров — до 50 см. Они лировидно — перистоопушенные, с большой овальной верхней лопастью. В зоне каштановых почв прикорневая розетка листьев формируется за 22–25 дней после всходов. Диаметр розетки листьев к этому времени достигает 20–25 см, благодаря чему затеняется до 85% поверхности почвы.
Затем горчица начинает формировать стебель с более мелкими, короткочерешковыми листьями. В верхней части стебля имеются сидячие листья меньшего размера. Они продолговато-линейные, цельнокрайние или слабо зазубренные. Листья покрыты восковым налётом без опушения. Окраска варьирует от зеленой до темно-зеленой и антоциановой.
При сплошных посевах на одном стебле формируется от 4 до 7 ветвей, при широкорядных — от 11 до 16 ветвей, на которых образуется от 40 до 70 стручков.
Соцветие рыхлое, от щитковидного до кистевидного. Цветение идёт снизу вверх. Цветки четырехлепестковые, ярко — жёлтой окраски. После цветения формируются линейные, прижатые к ветвям стручки, которые сидят на коротких (от 0,5 до 1,5 см) плодоножках. Размеры стручка составляют от 2,5 до 5,5 см длины и от 0,2 до 0,5 см ширины. Стручок имеет тонкий шиловидный носик. Семена прикреплены к внутренней перегородке стручка.
Семена у горчицы сарептской от желтой до темно-коричневой окраски, шаровидной формы, мелкие. Масса 1000 семян колеблется от 1,6 до 3,4 г. Поверхность семян гладкая. На вкус семена горькие, при растирании издают эфирный запах, характерный для столовой горчицы. Семена содержат до 49% жира. В состав семян входят эфирные масла, доля которых доходит до 1,2%. Продолжительность вегетационного периода зависит от метеорологических условий года. В засушливые годы горчица созревает за 70 дней, во влажные - за 90 дней.