Cơ thể và đuôi của thú mỏ vịt được bao phủ bởi bộ lông dày, màu nâu để giữ con vật được ấm áp.[5][11] Lông không thấm nước, và có kết cấu giống chuột chũi.[12] Thú mỏ vịt dùng đuôi nó để dự trữ chất béo (đặc điểm thích nghi này cũng xuất hiện ở quỷ Tasmania[13]). Nó có chân màng và một cái mỏ rộng, giống như làm bằng cao su; đặc điểm này gần với vịt hơn bất kỳ động vật có vú nào ngày nay. Màng chân lớn hơn ở chân trước và được gập lại khi đi bộ trên đất liền.[11] Không giống mỏ chim (mỏ trên và dưới tách ra để lộ miệng), mỏ của thú mỏ vịt là một cơ quan cảm giác và miệng ở mặt dưới. Lỗ mũi ở mặt trên của mỏ, còn mắt và tai nằm trên một rãnh, rãnh này được đóng lại khi bơi.[11] Thú vỏ vịt phát ra một tiếng kêu thấp khi bị quấy rầy và một loạt các âm thanh khác đã được báo cáo trong mẫu vật bị giam cầm.[5]

Cân nặng khác nhau đang kể từ 0,7 đến 2,4 kg (1,5 đến 5,3 lb), con đực lớn hơn con mái; con đực dài trung bình 50 cm (20 in), con cái 43 cm (17 in),[11] với sự thay đổi đáng kể trong kích thước trung bình từ vùng này sang vùng khác, việc này dường như không theo bất kỳ quy tắc khí hậu nào và có thể do yếu tố môi trường, chẳng hạn như sự xâm lấn của con người.[14]

Thú mỏ vịt có nhiệt độ cơ thể trung bình 32 °C (90 °F), chứ không phải 37 °C (99 °F) như thông thường ở các loài động vật có vú có nhau thai.[15] Nghiên cứu cho thấy đây là một sự thích nghi với điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn là đặc điểm tiến hóa của thú mỏ vịt.[16][17]

Nọc độc

Cả thú mỏ vịt đực và cái sinh ra đều có cựa ở mắt cá chân, chỉ cựa con đực tạo ra nọc độc,[18][19][20]Thành phần chủ yếu của nọc là các loại protein giống defensin (DLPs), ba trong đó có duy nhất ở thú mỏ vịt.[21] DLPs được tạo ra bởi hệ miễn dịch của thú mỏ vịt. Mặc dù đủ mạnh để giết chết động vật nhỏ như chó, nọc độc không gây chết người, nhưng cơn đau quá dữ dội có thể làm nạn nhân mất hết sức lực.[21][22] Vết phù sẽ nhanh chóng phát triển xung quanh vết thương và lan dần. Thông tin thu được từ các trường hợp lịch sử và nhân chứng cho thấy sự đau đớn phát triển thành hyperalgesia (một vết thương có độ nhạy cảm cao) tồn tại trong nhiều ngày thậm chí nhiều tháng.[23][24] Nọc độc được tạo ra trong tuyến đùi của con đực, một tuyến tổ ong hình bầu dục thông với một ống mỏng dẫn tới cựa ở mỗi chân. Thú mỏ vịt cái giống với thú lông nhím, có một chồi cựa không phát triển (rụng đi trước khi chúng được một tuổi) và thiếu tuyến đùi.[11]. Vì chỉ có con đực tạo ra nọc độc và sản xuất nhiều hơn vào mùa sinh sản, nó có thể được sử dụng như vũ khí tấn công để khẳng định ưu thế trong thời kỳ này.[21]