本研究以日本牡丹品种群310个品种的24个表型性状为研究对象，采用SPSS、SigmaPlot以及R语言等软件进行Shannon-Wiener多样性指数、相关性、聚类和主成分等分析，在此基础上探讨表型性状的遗传多样性，为牡丹种质资源创新提供参考。表型性状统计结果表明：24个表型性状的遗传多样性指数为0.369～3.101，遗传多样性较为丰富；花色表型性状多样但缺少黑色、绿色、黄色和复色品种；芽、新梢和叶片颜色均为红褐色的11个品种可引种延长牡丹春季景观，作为叶色育种材料。相关性分析结果显示花瓣颜色与花丝颜色、花瓣图案呈极显著正相关，与花期呈极显著负相关，树势与芽形、新梢长、叶长和花径等呈极显著正相关，与花瓣、花丝和柱头的颜色及开花方向呈显著正相关。聚类分析将310份牡丹品种资源分为浅色系和深色系2个组6个类群，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ类群可分别用以筛选粉色、白色大花型、复色和深色品种的种质资源。主成分结果表明24个表型性状综合为9个主成分，累计贡献率为63.81%，包含了表型性状的大部分信息。本研究结果为牡丹资源评价、引进、应用、品种筛选与新品种培育提供了重要理论依据。