C. melanosoma có chiều dài cơ thể tối đa được biết đến là 20 cm[3]. C. melanosoma và hai loài khác là Chaetodontoplus dimidiatus và Chaetodontoplus vanderloosi tạo thành phức hợp loài melanosoma do cả 3 loài đều có kiểu màu khá giống nhau.

C. melanosoma và C. dimidiatus đều có một vùng màu xám ở thân trên và đầu, vùng thân còn lại màu đen, lốm đốm các vệt màu vàng ở trên mặt; cá con cũng có kiểu hình giống nhau[5]. C. melanosoma và C. vanderloosi chỉ giống nhau ở kiểu màu vây đuôi: màu đen với dải viền màu vàng ở rìa sau (vây hậu môn và vây lưng cũng có viền vàng ở rìa). Cá con của C. melanosoma và C. vanderloosi có màu đen, nhưng C. melanosoma có dải trắng sau đầu, thay vì vàng nhạt như C. vanderloosi[5].

Số gai vây lưng: 13; Số tia vây ở vây lưng: 17–19; Số gai vây hậu môn: 3; Số tia vây ở vây hậu môn: 17–18[3].