本科共有22属650余种，广泛分布于世界温带、亚热带至热带地区。大多数属为新世界分布，主要集中于北美洲西部至南美洲安第斯山一带，许多属的物种多样性中心也在这一地区，如倒挂金钟属（Fuchsia）绝大多数种类分布于中美洲与南美洲安第斯山脉广大地区。仅柳叶菜属（Epilobium）、柳兰属（Chamerion）、露珠草属（Circaea）、丁香蓼属（Ludwigia）4个属在旧世界有天然分布，其中柳叶菜属分布种类最多，将近40种。由于一些类群，如倒挂金钟属、月见草属（Oenothera）具有园艺价值，在旧世界广泛栽培。从现存类群分布状况来看，本科植物很可能为新世界起源，后扩散至欧亚大陆等地。然而其起源与扩散过程尚无明确的结论，美国研究者曾推测本科起源于南美洲。化石记录表明柳叶菜科与其近缘类群的祖先在晚白垩纪时期就已经存在。

一年生或多年生草本，有时为半灌木、灌木，有的能长成25米高的乔木，个别植物为水生草本。常具有表皮油细胞，营养体细胞中常含有针状晶体。叶常茎生，有时具莲座状基生叶，少数种类仅具有基生叶。茎生叶通常叶互生，有时对生，稀轮生或螺旋排列；叶缘全缘、有齿或羽状分裂。托叶小或无。花多为两性，稀单性，辐射对称或两侧对称，通常单生于叶腋或排成顶生的穗状、总状或圆锥花序。花通常4数，稀2（露珠草属）或5数；花冠存在或不存在，由花萼、花冠（有时还有花丝下部）合生而成；花萼筒与子房合生，萼片（2～）4或5裂，花瓣（2～）4或5，在芽时常旋转或覆瓦状排列；雄蕊（2～）4或8，排成2轮，稀10或12枚；花丝相等或不等，花药2室，纵裂，花药丁字着生，稀基部着生。花粉分离或为四分体，花粉粒间可以通过粘丝连接。子房下位，常2～4室，稀1室，每室有少数或多数胚珠，中轴胎座。花柱1，柱头头状、棒状或具裂片。果实为蒴果，室背开裂、室间开裂，有时为浆果或坚果，不开裂。种子为倒生胚珠形成，多数或少数，稀1，种子无胚乳，有的具种缨。

本科的染色体基数x＝7，8，10，11，15，18，染色体数n＝5～64不等，没有明显规律，如丁香蓼属，中国有几个不同的种的染色体数分别为n＝8、16、24；也有同一个种具有不同染色体数目的，如毛草龙（Ludwigia octovalvis）的染色体数为n＝16、24。花粉粒具3或4孔沟、3或4孔，或为四分体而具附属的三歧裂缝；扁球形；极面观钝棱形或棱形具凸边；萌发孔唇形或孔腔状，内孔过渡为椭圆形；外壁厚1～3微米；覆盖层光滑或具粗糙凸起；外壁外层颗粒状，具明暗图案；外壁内层比外层厚。

传统上认为柳叶菜科的亲缘关系与千屈菜科（Lythraceae）接近，但因子房下位和花药的丁字着生方式而与之不同。当代分子系统学研究表明（APG Ⅳ），柳叶菜科与使君子科（Combretaceae）、千屈菜科、萼囊花科（Vochysiaceae）、桃金娘科（Myrtaceae）、野牡丹科（Melastomataceae）、隐翼木科（Crypteroniaceae）、双隔果科（Alzateaceae）、管萼木科（Penaeaceae）一起组成桃金娘目（Myrtales）。桃金娘目与牻牛儿苗目（Geraniales）互为姊妹类群。

最新的系统分类研究结果显示，本科有22属，650余种，可分为2亚科，即丁香蓼亚科（Ludwigioideae）与月见草亚科（Onagroideae）。前者仅包括丁香蓼属，而后者包括了柳叶菜科的其他21属。根据分子系统发育研究结果，月见草亚科的21属又聚为6个族：Tribe Hauyeae（1属），Tribe Circaeeae（2属）、Tribe Lopezieae（2属），Tribe Gongylocarpeae（1属），Tribe Epilobieae（2属），Tribe Onagraea（13属）。

本科植物不少种类可供药用，其中柳叶菜属植物的杨梅素-3-O-葡萄糖苷，槲皮素3-O-葡萄糖苷，对一些细菌有一定的抑制作用。在柳叶菜科植物中许多种类是美丽的观赏植物，如倒挂金钟属、月见草属等，花型奇特，植株姿态优美，且香气宜人，为世界广泛应用的园艺植物。另外，月见草属的种子大多可以榨油；一些种类的花可以提制芳香油；茎皮纤维可作人造棉原料。