Mèo cây châu Mỹ là một loài mèo có kích thước trung bình với dáng mình mảnh khảnh và màu sắc đồng đều khác biệt đáng kể so với những loài mèo Trung, Nam Mỹ khác như loài mèo nhỏ có đốm trong chi Leopardus – về hình dáng bên ngoài. Điều này là do mèo cây châu Mỹ có 38 nhiễm sắc thể, không giống như 36 ở những loài mèo nhỏ khác ở Nam Mỹ và đặc điểm nhiễm sắc thể giống với những loài mèo ở Cựu thế giới như mèo báo (Prionailurus bengalensis).[18] Trên thực tế, loài mèo cây này có một số đặc điểm giống rái cá và chồn: nó có thân hình thon dài với đôi chân tương đối ngắn, đầu nhỏ, hẹp, tai tròn, nhỏ, mõm ngắn và đuôi dài.[18][19][20] Chiều dài đầu và thân là từ 53 đến 77 cm; cái đuôi vạm vỡ, mạnh mẽ dài 31 – 52 cm. Lớn gấp đôi loài mèo nhà, mèo cây châu Mỹ đạt gần ở vai và nặng 3,5 – 7 kg, mặc dù những cá thể lớn hơn nặng khoảng 9 kg đã được báo cáo.[21] Con đực lớn hơn con cái một chút.[14]

Bộ lông có màu đồng nhất với nhiều nhất một vài vết mờ trên mặt và bụng, mặc dù mèo con được phát hiện trong một thời gian ngắn. Các vết đen và trắng trên môi và mõm, tương tự như của loài báo sư tử, có thể thấy rõ ở mèo con và một số con trưởng thành. Hai hình thái màu sắc được biết đến (mặc dù cũng có thể nhìn thấy các sắc thái trung gian) xám (lông màu đen đến xám nâu với vẻ ngoài nhăn nheo do các vòng sáng và tối trên từng sợi lông) và đỏ; trước đó những hình thái này được coi là hai loài khác nhau. Các cá thể của cả hai màu có thể được sinh ra trong cùng một lứa.[22]