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 новорождённых 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.

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.

Копыта узкие, сравнительно короткие. Боковые копыта наполовину короче средних, не оставляют следов на твёрдом грунте.

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.

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.

Из органов чувств наиболее развиты обоняние и слух.

Два раза в год линяют, сменяя шерсть с летней на зимнюю, и наоборот. Густой и длинный зимний мех помогает сибирским косулям переносить морозы, а рыжевато-серый цвет отлично маскирует их в естественной среде обитания. Летняя шерсть намного короче и имеет огненно-рыжий окрас. У новорождённых косулят окраска пятнистая, что позволяет им маскироваться среди летней растительности. Хвост очень короткий и окружен овалом из белой шерсти, называемый «зеркалом».

Самки несколько мельче, но в целом половой диморфизм выражен слабо.