Le léopard de mer est un grand phoque qui possède un long et puissant corps effilé, des pattes arrières liées et atrophiées (nageoire caudale), des longues et fines nageoires pectorales et un museau allongé.
On le reconnaît facilement par sa large mâchoire serties de 16 dents à double fonctionnalité (déchiqueter la viande et filtrer l’eau lors de la chasse du krill). Ses plus grandes canines mesurent 2,5 cm de long.
Ses yeux ronds sont assez petits et noirs, ses narines longues et ses oreilles internes. Fait rare chez les mammifères : les femelles sont en moyenne plus grandes et massives que les mâles.
Son pelage épais est assez court. La robe est de couleur sombre au-dessus, tandis que son ventre est plus clair, gris blanchâtre. Tout son corps est recouvert de petites taches sombres et rondes (qui ont notamment inspirées son nom).