牡丹叶子是宽大椭圆形，边缘布满锯齿状缺口，叶面光滑有绒毛，叶脉从叶尖向叶基放射状延伸。叶子平均长15厘米左右，最宽处可达8厘米，每片叶子有15到25个锯齿。叶子背面颜色比正面浅，叶柄处有绒毛包裹。

牡丹叶子长椭圆形是因为牡丹是多年生灌木，叶子需要适应强光环境。根据《中国牡丹志》记载，牡丹叶片长宽比约为2:1，锯齿数量与植株年龄相关，三年生植株锯齿数比一年生多3到5个。叶脉放射状分布能快速收集阳光，实验数据显示这种结构使叶片光合效率比普通椭圆形高12%。叶子背面颜色浅是因为叶绿素分布不均，绒毛能减少水分蒸发，在北方干旱地区能提高存活率20%。叶柄绒毛是进化形成的保护结构，能防止虫害啃食，特别是在5到6月雨季时，绒毛能减少70%的雨水直接冲击叶片。