新月藻是一種單細胞的綠色藻類，其特徵如下：
形態特徵。新月藻的細胞呈新月形，略帶彎曲，少數為平直或狹長，兩端逐漸尖細，頂部可以是尖銳或鈍圓。其橫斷面為圓形，細胞壁平滑或具有縱向線紋、肋紋或點紋，無色或因鐵鹽沉積而呈黃褐色。
細胞結構。新月藻的色素體位於細胞的軸位，兩個半細胞中各有一個色素體，具有縱脊，蛋白核中軸一列或散生。細胞核位於兩色素體之間的細胞中部。在細胞兩端各有一個大型液泡，其中含有多個石膏晶粒，這些晶粒在活細胞中不斷顫動。細胞兩端具有孔，可以向外分泌膠質，幫助細胞移動。
繁殖方式。新月藻通過細胞分裂進行繁殖，分裂時細胞分成兩個半細胞，各自逐漸長出與自身相同的另一半細胞。新形成的和母半細胞間的細胞壁上常留下環形縫線。
此外，新月藻還具有一些特殊的結構，如澱粉核雖然名字叫做澱粉核，但它最重要的功能是幫助光合作用得以高效運行。