Сибирская косуля отличается от европейской косули в первую очередь заметно большими размерами тела (длина тела 126—144 см, высота в холке — 82—94 см, масса тела 32—48 кг) и рогов (27—33 см длиной). В летнем меху окраска головы у сибирской косули не серая, а рыжая, однотонная со спиной и боками. Волосы над метатарзальными железами не выделяются из общей окраски. Основания волос светлые или чисто-белые, эпидермальный слой кожи буровато-серый, пигментированный. У новорожденных косулят пятна на спине расположены в 4, а не 3, ряда. Череп сравнительно узкий в глазной области, с удлинённой лицевой частью. Слуховые пузыри на черепе крупные и заметно выступают из барабанной ямки. Рога расставлены шире, сильно бугристые, иногда с короткими дополнительными отростками. Самки несколько мельче, но в целом половой диморфизм выражен слабо.
Голова короткая, клиновидно суженная к носу, но относительно широкая и высокая в области глаз. Уши длинные, овальной формы, заострённые. Глаза большие, выпуклые, с косо поставленными зрачками. Шея длинная, без гривы; у самцов толще, чем у самок. Ноги длинные, тонкие, передние несколько короче задних, из-за чего спина немного наклонена вперед и крестец примерно на 3 см выше загривка. Хвост рудиментарный, полностью скрытый в волосах «зеркала». Копыта узкие, сравнительно короткие. Боковые копыта наполовину короче средних, не оставляют следов на твёрдом грунте.
Череп широкий в глазной области, с укороченной и широкой лицевой частью. Слуховые пузыри на черепе небольшие и не выступают из барабанной ямки. Зубов 32. Верхние резцы, как правило, отсутствуют (изредка встречаются у молодых самцов); верхние клыки отсутствуют постоянно.
Имеются межкопытные железы; плюсневые железы хорошо развиты, выделяются благодаря тёмной окраске растущих над ними волос; предглазничные железы рудиментарные — от них остались лишь небольшие полоски голой кожи. Весной и летом у самцов сильно увеличены сальные и потовые железы кожи головы и шеи; с помощью их секрета самцы метят территорию.
Из органов чувств наиболее развиты обоняние и слух.
Рога у самцов сравнительно небольшие, более или менее вертикально поставленные и лирообразно изогнутые, у основания сближенные. Несут по 3 отростка — средний, направленный вперёд, и два концевых. Надглазничный отросток отсутствует. Главный ствол рогов отогнут назад у среднего отростка. Рога округлые в сечении, со множеством бугорков («жемчужин»), с большой розеткой. Встречаются аномалии развития рогов — например, неравномерное развитие правого или левого рога, иногда — образование костного «шлема», покрывающего весь верх головы.
Рога у косулят начинают развиваться с 4-го месяца жизни. Молодые самцы к своей первой весне отращивают рога в виде простых заострённых стержней. Полностью рога развиваются лишь к 3 годам.
Рога сбрасываются ежегодно в октябре—декабре, сначала старыми самцами, затем — молодыми. Новые рога начинают отрастать после примерно месячной задержки. Полного размера рога старых самцов достигают к марту—апрелю; в апреле—мае рога полностью окостеневают и самцы трутся ими о стволы и ветви деревьев, счищая остатки кожи.
Самки безрогие. Изредка встречаются самки с рогами, причем рога обычно имеют уродливую форму.
Окраска взрослых особей одноцветная, лишена полового диморфизма. Зимой окраска туловища серая или серовато-бурая, иногда серовато-рыжая, в задней части спины и на крестце переходящая в коричнево-бурую. Книзу окраска туловища постепенно светлеет до желтовато-кремовой. Хвостовое «зеркало» (каудальный диск) небольшое, белое или светло-рыжеватое. Конечности постепенно рыжеют книзу. Голова и уши одноцветные с туловищем, либо несколько буроватая и рыжеватая. На подбородке — белое пятно, окружность носа и верхняя губа — чёрно- или серо-бурая («усы»).
Летом окраска туловища и шеи равномерно рыжая; брюхо беловато-рыжее; голова серая с рыжеватым оттенком, с тёмными «усами»; зеркало слабо намечено или отсутствует.В целом летняя окраска более ровная, чем зимняя.
У новорождённых косулят окраска пятнистая, что позволяет им маскироваться среди летней растительности. Общий тон окраски рыжевато-жёлтый с более светлым, светло-охристым брюхом. По спине четырьмя продольными рядами с каждой стороны идут сероватые или желтоватые пятна. Средний ряд, наиболее яркий, тянется от ушей до анального отверстия; остальные идут от плеч. На плечах и в тазовой области появляются добавочные ряды пятен. В возрасте 2—3 месяцев общая окраска темнеет, становясь буровато-рыжей; по мере отрастания рыжего меха пятнистость бледнеет и исчезает.