Mèo cát có kích thước khá nhỏ và trông bè bè với chân ngắn, đuôi dài và đôi tai rất lớn và nhọn. Chiều dài đầu và thân của chúng dao động trong khoảng 39 đến 57 xentimét (15 đến 22 in), cộng thêm cái đuôi dài chừng 23 đến 31 xentimét (9,1 đến 12,2 in). Cân nặng mèo cát nằm trong tầm 1,4 đến 3,4 kilôgam (3,1 đến 7,5 lb).[2] Đầu của chúng rất rộng, và tai rất to đến mức đôi tai có thể được trải rộng theo chiều ngang và thậm chí chĩa xuống nhằm phục vụ cho việc săn mồi.

Bộ lông mèo cát có màu vàng nhạt như màu của cát, điểm xuyết những vằn vàng xanh khó nhìn thấy; phần cằm và bụng của chúng có màu trắng. Thông thường các vằn của các phân loài sống ở châu Phi thì dễ nhận biết hơn cả. Tai và chân cũng có các vằn đen, trên mặt thì có các vằn đỏ chạy từ má lên vành ngoài của mắt. Vào mùa đông, bộ lông có thể mọc rất dày lên với độ dài lông có thể lên đến 2 inch (5,1 cm). Mắt mèo cát rất lớn và có màu vàng xanh, còn mũi thì màu đen.[2]

Trái với các loài mèo châu Á khác, mèo cát có lông mọc dày ở giữa các ngón chân, điều này tạo ra một lớp lông cách nhiệt dày giúp chúng không bị bỏng khi đi trên cát. Móng của chi sau khá nhỏ và cùn, cộng với lớp lông dày phủ trên lớp đệm chân khiến dấu chân của mèo cát rất khó bị kẻ thù nhận diện.[2]

Niêm mạc của mi mắt mèo cát có màu đen đậm. Các túi thính giác trong tai có kích thước rất lớn khiến thính giác của mèo cát rất nhạy, có lẽ nhằm giúp chúng cảm nhận được các rung động trong cát. Các đặc điểm thích nghi tương tự cũng xuất hiện ở các động vật sa mạc khác như cáo fennec.