La moutarde noire est une plante, annuelle, velue-hérissée à la base. Elle possède une tige dressée d'environ 1 mètre, à rameaux étalés.
Les feuilles sont toutes pétiolées, les inférieures pennatifides et lyrées (avec un lobe terminal beaucoup plus grand que les autres), glauques, à marge denticulée ou dentée, les supérieures lancéolées, entières ou un peu dentées.
Le racème porte des fleurs assez grandes, jaunes, de 10-12 mm, à pédicelle court, appliqué contre l'axe, odorante. Les 4 sépales de 4-5 mm sont libres et les 4 pétales libres, font 7-9 mm et sont jaunes. La floraison s'étale d'avril à octobre.
Le fruit est une silique, appliquée contre l'axe, linéaire, de 1-2,5 cm x 2-3 mm, sessile, glabre, subtétragone, un peu bosselée, à bec grêle de 4 à 5 fois plus court que les valves. A maturité, les graines sont brun-noirâtre et ont une saveur très piquante. L'origine des qualificatifs noire/blanche dans les termes « moutarde noire/blanche » vient de la couleur de la graine