Svarīgākās gramatiskās iezīmes Senajām indoeiropiešu valodām piemita trīs dzimtes – vīriešu, sieviešu un nekatrā, kas vēl joprojām ir sastopamas mūsdienu albāņu, grieķu, slāvu, vācu un citās valodās. Citur viena dzimte ir zudusi, parasti nekatrā (piemēram, hindi, itāļu, īru un latviešu valodā), vai dzimšu kategorija ir pilnībā atcelta (kā angļu, armēņu, persiešu un citās valodās). Pašu indoeiropiešu pirmvalodu, iespējams, raksturoja binārais pretstats starp kopdzimti un nekatro dzimti, kas pazīstams no anatoliešu valodām.
Blakus vienskaitlim un daudzskaitlim sastopams arī divskaitlis (piemēram, sengrieķu, senslāvu valodā, sanskritā un citās valodās). Divskaitļa galotnes tomēr nav viennozīmīgi rekonstruējamas, radot iespaidu, ka divskaitlis ir samērā jauna parādība, varbūt pat jaunāka par indoeiropiešu pirmvalodu. Mūsdienu valodās tas ir tikpat kā zudis, kaut gan to nesen vēl lietoja lietuviešu un slovēņu valodā.
Indoeiropiešu pirmvalodai bija vismaz astoņi locījumi, t. i., nominatīvs, akuzatīvs, ģenitīvs, datīvs, ablatīvs, instrumentālis, lokatīvs un vokatīvs. Pamatojoties uz anatoliešu valodu dotumiem, dažkārt tiek rekonstruēts arī devītais locījums ‒ allatīvs. Šie ir saskatāmi pilnībā tikai sanskritā, lai gan arī mūsdienu baltu un slāvu valodas ir saglabājušas visus mantotos locījumus, izņemot ģenitīvu, kas ir saplūdis ar ablatīvu (un ir mūsdienu ģenitīvs). Jau latīņu un sengrieķu valodā locījumu skaits ir samazināts līdz sešiem, respektīvi, pieciem, un mūsdienu valodās bieži sastopami tikai divi vai trīs (hindi, persiešu, rumāņu u. c.) vai pat neviens (angļu, itāļu u. c.).
Senajās valodās, kā arī pašā pirmvalodā lietvārdi un īpašības vārdi locīšanā neatšķīrās. Tie parasti sastāvēja no saknes un galotnes ar vai bez priedēkļa un viena vai diviem piedēkļiem. Daļai piedēkļu bija noteikta nozīme vai funkcija, un tie kalpoja dažādu atvasinājumu veidošanai, piemēram, ide. *h2erh3- ‘art’ > * h2erh3-tor- ‘arājs.’ Citu nozīme vairs nav manāma, un ar laiku tie kļuva par deklināciju pazīmēm. Piemēram, *-o- apzīmē o-celmu jeb tematisko deklināciju indoeiropiešu valodās, sal. ide. *dhuH-m-ó-s ‘dūms’ ar sengrieķu θῡμός, bet arī ar latīņu fumus un lietuviešu dū́mas, kur *o ir kļuvis par u, respektīvi, a. Indoeiropiešu pirmvalodā, visticamāk, bija tikai divas deklinācijas ‒ tematiskā un atematiskā ‒, tātad deklināciju skaita pieaugums ir uzskatāms par jaundarinājumu, kaut arī mūsdienu valodās tas parasti atkal ir samazinājies.
Vietniekvārdiem daudzos locījumos piemita īpašas galotnes, sal. ide. daudzskaitļa nominatīvu *h1éḱ-u̯-ōs ‘zirgi’ (sanskrita áśvās), bet *t-ó-i̯ ‘tie’ (sanskrita té). Šīs galotnes vēlāk tiecās pāriet arī lietvārdu un īpašības vārdu locīšanā, sal. latīņu equī un sengrieķu ἱπποί, kas it kā turpina *h1éḱ-u̯-o-i̯ ‘zirgs’.
Indoeiropiešu valodās ir saskatāmi dažādi darbības vārda uzbūves tipi. Sākot ar sanskritu un sengrieķu valodu, zīmīgi, ka šīs valodas raksturo ļoti bagāta verbāla morfoloģija. Sanskritā no katras darbības vārda saknes principā atvasina imperfektīva, aorista un perfekta celmu, kas attiecīgi apzīmē imperfektīvo, perfektīvo un statīvo veidu. Ar zināmām galotnēm šos celmus loka trīs personās (1., 2. un 3.), trīs skaitļos (vienskaitlī, divskaitlī un daudzskaitlī) un divās kārtās (aktīvajā un vidējā). Pievienojot priedēkli a- (t. s. augmentu), veido imperfektīva un perfekta celmu pagātnes formas, bet aorista celmam vienmēr ir pagātnes nozīme. Turklāt ar dažādiem piedēkļiem vai ar īpašām galotnēm veido visu triju celmu pavēles un vēlējuma izteiksmi, kā arī konjunktīvu un – no imperfektīva un aorista celmiem – t. s. injunktīvu, kas apzīmē darbību bez noteikta laika nozīmes. Tieši no saknes atvasina arī citas darbības vārda formas, kā nākotni, pasīvu, kauzatīvu un intensīvu.
Tradicionāli arī indoeiropiešu pirmvalodas rekonstrukcija balstās uz šīs paradigmas, kaut gan daļa minēto kategoriju ir acīmredzami jaundarinājumi – piemēram, pasīvs, ko sanskritā veido ar piedēkli -ya-, bet sengrieķu valodā ar -(θ)η-. Parasti tiek pieņemts, ka arī vairākums pārējo valodu mantoja šādu darbības vārda uzbūvi, lai gan te lielākā mērā sastopam jaundarinājumus, kā arī vienkāršojumus. Piemēram, jau latīņu valodas darbības vārdiem ir tikai divi celmi, kas apzīmē imperfektīvo un perfektīvo veidu, un trūkst arī citu paradigmatisku atvasinājumu, kā vēlējuma izteiksmes un kauzatīva. Mūsdienās darbības vārda celmi bieži apzīmē nevis veidus, bet laikus, t. i., tagadni, pagātni un eventuāli nākotni, sal. angļu (I) sing ‘dziedu’ ar (I) sang ‘dziedāju,’ persiešu mikonam ‘daru’ ar kardam ‘darīju’ vai latviešu eju ar gãju un iẽšu. Ļoti izplatīti indoeiropiešu valodās – it sevišķi mūsdienās – ir arī saliktie laiki, sal. armēņu tagadnes sirum em ‘mīlu,’ serbu-horvātu pagātnes glȅdao sam ‘skatījos,’ angļu perfekta (I) have put ‘esmu licis,’ persiešu nākotnes xāham kard ‘darīšu,’ latviešu pagātnes kondicionāli es būtu ņēmis utt.