和名であるタマネギの由来は、文字通り鱗茎が玉のように大きくなる葱のなかまという意味からきている[4]。
英名はオニオン（onion）、仏名がオニョン（oignon、または ognon[5]）、伊名ではチポッラ（cipolla）という[6]。英語名オニオンの由来は、古代ローマ時代にローマ人がタマネギを bulbus あるいは unionem と呼んでいたことにちなむ[7]。
学名のアリウム・ケーパ（Allium capa）は、ラテン語で「タマネギ」を意味し、スペイン語のセボーリャ（cebolla）や、ポーランド語のセブラ（cebra）などは、その派生語である[3]。
越年生の草本[8]。鱗茎は径10センチメートル (cm) 前後の球形、または扁球形をしており、特異な刺激性の臭気がある[9]。茎は円筒形で直立し、高さは50 cmくらいまで生長して、下部に2 – 3の葉をつける[9]。葉はネギよりも細く、濃緑色で中空になっている[9]。秋には、茎頂部に花序が大きな球形となってつき、白色の花が密集する[9]。
葉が伸びて70 cmくらいに育つと、地中の葉鞘が結球しはじめ肥大化する[10]。結球するには、一定の温度で適切な時間日光を浴びることによって、葉で糖が生成されて、その養分が基部に蓄えられて鱗茎が形成される[11]。鱗茎は鱗片葉が球状に重なったものでできており、多くの層を持っている[11]。鱗茎がある程度肥大すると、地上部の葉鞘が葉を支えきれなくなって倒れ込む倒伏性がある[10]。
染色体数は 2n=16。生育適温は 20 °C 前後で、寒さには強く氷点下でも凍害はほとんど見られないが、25 °C 以上の高温では生育障害が起こる。花芽分化に必要な条件は品種や系統によって大きく違うが、一定以上に成長した個体が 10 °C 前後またはそれ以下の低温下に一定の期間以上さらされると花芽が分化する。大きな苗を植えると分球や裂球や抽台しやすく、小さいまま低温に遭うと枯れやすい。
タマネギは日長条件が大きく関与し、短日種・中日種・長日種それぞれに品種系統で分化している。鱗茎を形成するためには、長日種は1日に14時間の日照を必要とし、短日種は1日に12時間から14時間の日照を必要としている[11]。大まかに、日本で栽培されているものは、春まきが14時間以上の長日条件下、秋まきの早生種で12時間程度の中日条件下で結球する。長日条件・温度上昇で肥大が促進される。玉が成熟すると葉が倒伏し、数か月の休眠に入る。ヨーロッパなどで栽培される品種の中には16時間以上の長日でなければ結球しない品種があり、それらは日本では収穫できない。
ネギの花は花弁が開くが、タマネギとは花弁が開かない点で区別できる。
ヤグラネギや野草のノビルと同じように、花の咲く所から芽が伸びる品種がありヤグラタマネギとよぶ。