Chim cánh cụt hoàng đế lớn khi đứng có chiều cao 122 cm (48 in). Trọng lượng khoảng 22 đến 45 kg (49 đến 99 lb) và thay đổi theo giới tính, con trống nặng hơn con mái. Trọng lượng cũng thay đổi theo mùa, như chim cánh cụt trống và mái mất một khối lượng đáng kể trong khi nuôi con non và ấp trứng. Một con trống phải chịu đựng cái rét ở Nam Cực trong hơn 2 tháng để bảo vệ trứng của nó. Trong thời gian này, con trống không hề ăn gì cả. Hầu hết con trống này sẽ giảm 12 kg (26 lb) trong khi nó chờ cho con non nở.[6] Trọng lượng của con trống vào đầu mùa sinh sản là 38 kg (84 lb) và con cái là 29,5 kg (65 lb). Sau mùa sinh sản, cả con cái và con đực sẽ giảm khoảng 23 kg (51 lb).[7][8][9]

Giống như tất cả các loài chim cánh cụt khác, chim cánh cụt hoàng đế có một cơ thể phù hợp cho việc bơi: đôi cánh dẹt, chân chèo phẳng.[10] Lưỡi được trang bị phía sau lông tơ để ngăn chặn con mồi thoát ra ngoài khi bị bắt.[11] Con lớn có lông màu đen phía sau, trên đầu, cằm, cổ, lưng, phần lưng của chân chèo, và đuôi. Những phần dưới của cánh và bụng có màu trắng, màu vàng nhạt trên ngực, còn tai màu vàng tươi. Khi chúng ở tuổi thành niên, tai, cằm và họng có màu trắng, riêng cái mỏ màu đen. Chim cánh cụt con thường được phủ một lớp lông màu xám bạc và có đầu màu đen và trắng. Một con non với cả bộ lông màu trắng đã được tìm thấy năm 2001.[12] Nó đã bị coi là bạch tạng nếu như không có đôi mắt màu hồng. Con non cân nặng khoảng 315 g (11 oz) sau khi nở, và đủ lông khi trọng lượng của chúng bằng 50% trọng lượng con lớn.

Bộ lông màu đen của chim cánh cụt hoàng đế chuyển dần sang màu nâu từ tháng 11 cho tới tháng 2, trước đợt rụng lông hàng năm từ tháng 1 đến tháng 2.[13] Việc rụng lông của loài này nhanh hơn một số loài chim khác, chỉ tới 34 ngày. Bộ lông của chim cánh cụt hoàng đế sẽ mọc lên từ da sau khi chúng đã phát triển được một phần ba tổng chiều dài của chúng, và trước khi bị rụng mất lông cũ, để giúp giảm cách nhiệt và tăng tỏa nhiệt. Lông mới sau đó đã đẩy đi những cái lông cũ trước khi hoàn thành sự sinh trưởng của chúng.[14]

Trung bình mỗi năm tỷ lệ sống của chim cánh cụt hoàng đế đo được là 95,1%, với tuổi thọ trung bình là 19,9 năm. Một số nhà nghiên cứu lại ước tính rằng 1% trong số những con chim cánh cụt hoàng đế có thể sống tới 50 tuổi. Ngược lại, 19% những con non sống sót được qua năm đầu tiên. 80% số cánh cụt trưởng thành có độ tuổi từ 5 tuổi trở lên.