Les fleurs sont bisexuées, généralement actinomorphes, axillaires ou terminales, solitaires ou groupées en corymbes, panicules ou cymes capituliformes.

Il y a 4-5 sépales soudés en un tube, ou parfois seulement à la base, souvent scarieux. La corolle est gamopétale, actinomorphes ou zygomorphe, rotacée, funneliforme ou salviforme, avec 4-5 lobes.

Les 5 étamines, incluses ou exsertes, sont soudées au tube de la corolle au même niveau ou à des niveaux différents, et alternent avec ses lobes. Les filets sont filiformes. Les anthères sont biloculaires et à déhiscence longitudinale. L'ovaire est supère, inséré sur un disque basal, comprenant 3, rarement 2-4 carpelles soudés, et le même nombre de loges contenant chacune 1 ou plusieurs ovules anatropes sur des placentas axiles. Le style est simple, et le stigmate a 3, rarement 2-4, lobes.

Les mécanismes de la pollinisation sont très variés. La pollinisation par les abeilles est la plus répandue chez les espèces nord-américaines, à partir de laquelle semblent être dérivées les pollinisations par les oiseaux-mouches (Gilia, Ipomopsis, Loeselia, Polemonium), par les mouches (Gilia, Linanthus, Polemonium), par les coléoptères (Ipomopsis, Linanthus). La pollinisation par des papillons, nocturnes ou diurnes, est connue comme étant un caractère évolué chez plusieurs genres, tandis que chez les tribus tropicales, on rencontre des pollinisations par les chauves-souris (Cobaea), les oiseaux-mouches (Cantua, Loeselia, Huthia), les sphinx (Cantua, Cobaea) et les abeilles (Bonplandia, Loeselia, Huthia). 

Le fruit est une capsule à dehiscence longitudinale, septicide chez Cobaeae, et contenant une ou plusieurs graines, généralement albuminées. L'embryon est droit ou légèrement courbé ; l'enveloppe de la graine est légèrement collante lorsqu'elle est mouillée. 

Les Polemoniaceae sont généralement rapprochées des Hydrophyllaceae, les deux familles constituant ensemble un groupe à l'intérieur des Polemoniales, ayant lui même des affinités avec un autre groupe comprenant les Nolanaceae, les Solanaceae et les Convolvulaceae.

La famille est divisée en 5 tribus. 

Les Cobeae sont des lianes à feuilles pennées, aux fleurs solitaires et au calice régulier. Cette tribu qui ne compte qu'un genre, Cobaea, d'Amérique tropicale, est parfois considérée comme famille des Cobaeaceae. 

Les Cantueae sont des petits arbres et des arbustes aux feuilles simples ou pennatifides, aux fleurs en bouquets axillaires ou terminaux et au calice régulier. Les genres, originaires du nord des Andes, sont Cantua et Huthia. 

Les Bonplandieae sont des arbustes ou des plantes herbacées aux feuilles simples à pennatifides, aux fleurs solitaires, par paire ou en bouquets et au calice légèrement irrégulier. Il y a 2 genres, Bonplandia et Loeselia originaires d'Amérique tropicale. 

Les Polemonieae sont des plantes herbacées vivaces, rarement annuelles, aux feuilles simples à pennées, et au calice généralement herbacé, à la corolle régulière et aux étamines insérées, souvent très irrégulièrement, sur le tube de la corolle. La tribu est originaire d'Amérique du nord et d'Eurasie : Polemonium, Allophyllum, Collomia, Gymnosteris, Phlox et Microsteris.

Les Gilieae sont des herbes annuelles ou plus rarement vivaces, aux feuilles simples, entières ou très découpées ; au calice avec des sinus membraneux se rompant ultérieurement, à la corolle régulière ou irrégulière, et aux étamines insérées généralement de manière régulière sur la gorge du tube de la corolle, ou entre les lobes. La tribu est répandue dans les régions arides du sud-ouest de l'Amérique du nord, et sur des aires plus humides jusqu'aux régions tempérées chaudes d'Amérique du sud : Gilia, Ipomopsis, Eriastrum, Langloisia, Navarretia, Leptodactylon et Linanthus.

Les tribus tropicales (Cobeae, Cantueae, Bonplandieae) sont pour la plupart des plantes ligneuses avec des corolle de taille moyenne à grande, des graines ailées avec peu ou pas d'albumen, et de gros cotylédons charnus. Les genres des régions tempérées (Polemonieae, Gilieae) sont principalement herbacés, avec des corolles de taille moyenne à petite, des graines non ailées avec albumen, et des cotylédons plus réduits.