Zitronenhaie sind auf der Oberseite gelblichbraun (seltener dunkelbraun bis dunkelgraubraun) gefärbt und besitzen einen hellgelben bis weißen Bauch, der sie von ihren Verwandten, den Sichelflossen-Zitronenhaien (Negaprion acutidens) unterscheidet. Namensgebend sind die gelblich- bis olivgrünen Flanken des Hais; die Flossen sind graubraun, die Afterflosse meist gelblich mit grauem Saum. Sein kräftiges Maul ist rund und breiter als lang, was dazu führt, dass er manchmal mit dem Bullenhai verwechselt wird. Dieser besitzt allerdings nicht die typische Finnenformation der Zitronenhaie, bei der beide Rückenflossen fast die gleiche Größe besitzen und sich relativ weit hinten befinden. Der Oberkiefer trägt beiderseits 15 Zähne, der Unterkiefer 13 bis 14, vorne sind in beiden Kiefern einer bis drei kleinere Zähne zu finden.
Die Tiere sind kräftig und werden sehr groß. In Freiheit werden sie manchmal über 340 cm lang. Die Größe in Gefangenschaft lebender Zitronenhaie bewegt sich zwischen 240 und 260 cm, wobei die Männchen im Schnitt 10 cm größer als ihre weiblichen Artgenossen werden. Das Gewicht eines ausgewachsenen Zitronenhais liegt um die 180 kg. Die Tiere haben fünf Kiemenspalten und im Regelfall kein Spritzloch, obwohl dieses bei Einzelexemplaren vorkommen kann.