Espèce de plante grimpante herbacée annuelle. Le système radiculaire est de type pivotant, pouvant atteindre une profondeur d’un mètre dans des conditions de sol favorables, mais très ramifié, surtout dans la couche superficielle du sol. Les radicelles de 2e ou 3e ordre portent des nodosités, siège de la fixation symbiotique de l’azote.

La tige, peu ramifiée, de longueur variant de 50 cm à 2 m, voire jusqu’à trois mètres chez le pois fourrager, est à croissance indéterminée. Elle est creuse, de section cylindrique, et grimpe en s’accrochant aux supports par les vrilles des feuilles. Elle se caractérise par un certain nombre de nœuds, ou mailles, dont les premiers sont purement végétatifs (émettant des feuilles ou des ramifications) et les suivants reproducteurs (portant des fleurs). Chez les variétés et cultivars les plus précoces, les premières fleurs peuvent apparaître dès le quatrième nœud, tandis que chez les plus tardives elles peuvent n’apparaître qu’au 25e.

Les feuilles, opposées, sont composées d’une à quatre paires de folioles sessiles, opposées et terminées par une vrille simple ou ramifiée. Les folioles sont entières, obovales, et ont de 1,5 à 6 cm de longueur. Chez certaines variétés, elles sont partiellement transformées en vrilles. Chez les variétés de type ’afila’, toutes les folioles sont remplacées par des vrilles, les fonctions foliaires (photosynthèse) étant alors assurées par les stipules. Inversement chez les variétés de type ’acacia’, les vrilles sont transformées en folioles.

Les feuilles possèdent à leur base deux grandes stipules embrassantes, arrondies et crénelées à la base. Souvent plus grandes que les folioles, elles peuvent atteindre 10 cm de long. Certaines variétés ont des stipules allongées caractéristiques dites « en oreilles de lapin ». Les stipules portent parfois des taches rouges (présence d’anthocyanes), caractéristiques de certaines variétés, notamment chez les pois fourragers.

Les deux premières feuilles primordiales sont réduites à des écailles.