La Mésange charbonnière est l'une des plus grandes mésanges (14 cm pour une envergure de 23 à 26 cm et une masse de 16 à 21 g), de la taille d'un moineau domestique. Elle se caractérise par sa calotte noire, ses joues blanches, son dos verdâtre et une bande noire (ou « cravate ») tout le long de la poitrine et du ventre jaunes. Cette bande est moins large chez la femelle que chez le mâle.