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차나무에는 변종이 많으며, 이들 변종은 그 모양이 각기 크게 다르다. 중국이나 일본에서 재배되는 소엽종은 자연 상태에서도 높이가 2∼3m이고, 인도 아삼 지방의 대엽종은 높이가 15m에 달하므로 재배할 때에는 가지치기를 하여 높이가 0.5∼1m 되도록 한다.
뿌리는 아래로 곧게 뻗고 깊이가 2∼4m이며, 곁뿌리는 길이가 15∼20cm이고, 가는 뿌리가 많다. 잎은 품종이나 위치에 따라 변이가 크지만 어긋나고 길이 6∼20cm, 폭 3∼4cm의 긴 타원 모양이며 가장자리에 둔한 톱니가 있고 끝과 밑 부분이 뾰족하다.
잎의 질은 단단하고 약간 두꺼우며 표면에 광택이 있다. 품종에 따라 잎 빛깔의 진하고 엷음에 차이가 있고 주름에도 변화가 있으며, 빛깔도 녹색·자주색·황색·갈색 등 여러 가지가 있다. 어린잎이나 어린 싹의 뒷면에는 부드러운 털이 있다.
꽃은 10∼11월에 흰색 또는 연분홍색으로 피고 잎겨드랑이 또는 가지 끝에 1∼3개가 달린다. 꽃받침조각은 5개이고 둥글며 길이가 1∼2cm이고, 꽃잎은 6∼8개이며 넓은 달걀을 거꾸로 세운 모양이고 뒤로 젖혀진다.
수술은 180∼240개이고, 수술대는 길이가 5∼10mm이며, 꽃밥은 노란 색이다. 암술은 1개이고, 암술대는 3개이며 흰색 털이 빽빽이 있고, 씨방은 상위( 上 位)이며 3실이다. 열매는 삭과이고 둥글며 모가 졌고 다음해 봄부터 자라기 시작하여 가을에 익기 때문에 꽃과 열매를 같은 시기에 볼 수 있다. 열매가 익으면 터져서 갈색의 단단한 종자가 나온다.