Bộ lông khỉ sóc ngắn và dày, màu ô liu tại vai và màu cam vàng tại lưng và những bộ phận xa nhất (tay, chân). Họng và tai có lông màu trắng và miệng màu đen. Phần trên của đầu chúng có lông che phủ. Khuôn mặt đen và trắng này ban cho chúng tên gọi "khỉ đầu thần chết" trong một vài ngôn ngữ gốc Đức (như tiếng Đức Totenkopfaffen, tiếng Thụy Điển dödskalleapor, tiếng Hà Lan doodshoofdaapjes) và tiếng Slovenia (smrtoglavka).

Khỉ sóc phát triển tới kích thước 25–35 cm, cộng với chiếc đuôi dài 35–42 cm. Chúng cân nặng 750-1.100 g. Đáng chú ý là tỉ lệ khối lượng bộ não so với khối lượng thân đối với khỉ sóc là 1:17, làm cho chúng có bộ não lớn nhất (khi tính theo tỉ lệ) trong số mọi loài linh trưởng. Bộ não của con người chỉ có tỉ lệ 1:35.

Khỉ sóc cái có dương vật giả để chúng sử dụng trong việc biểu lộ quyền thống trị đối với những con khỉ nhỏ hơn, về cơ bản giống như cách mà những con khỉ sóc đực biểu lộ quyền thống trị của chúng. Khỉ sóc thông thường bị bắt để phục vụ cho buôn bán thú cảnh và nghiên cứu y học, nhưng không rơi vào tình trạng nguy cấp.