Phascolarctos cinereus
Es un animal robusto, con una gran cabeza y cola vestigial o inexistente. Su longitud corporal es de 60-85 cm con un peso de 4 a 15 kg, lo que lo convierte en uno de los mayores marsupiales arborícolas. Los koalas de Victoria pesan casi el doble que los de Queensland. La especie no presenta un marcado dimorfismo sexual, aunque los machos son un 50 % más grandes que las hembras; los machos también se distinguen de las hembras por su nariz más curva y por la presencia de glándulas pectorales (que producen secreciones olorosas), que son visibles como manchas sin pelo. Al igual que la mayoría de los marsupiales, el macho tiene un pene bifurcado y la hembra tiene dos vaginas laterales y dos úteros separados. La piel que recubre el pene del macho contiene bacterias naturales que desempeñan un papel importante en la fertilización. La abertura del marsupio de la hembra puede contraerse por medio de un esfínter para evitar que las crías se caigan.
Phascolarctos cinereus
Su pelaje es más largo y denso en la espalda y más corto en el vientre. Las orejas tienen pelo tupido tanto en el interior como en el exterior. El color de la piel de espalda varía desde el gris claro al marrón chocolate, mientras que la del vientre y la de los cuartos traseros es blanquecina. El pelaje de la espalda es el aislante más eficaz de todos los marsupiales y es muy resistente al viento y la lluvia, mientras que la piel del vientre puede reflejar la radiación solar. Sus garras, curvas y afiladas, están bien adaptadas para trepar a los árboles. Sus grandes patas delanteras tienen cinco dedos, dos de ellos (el primero y el segundo) opuestos a los otros tres, lo que les permite agarrar pequeñas ramas. En las patas traseras el segundo y tercer dedo están unidos (característica típica entre los diprotodontos) y las garras de estos dedos fusionados (que todavía están separadas) las utilizan para el aseo. Al igual que los seres humanos y otros primates, los koalas tienen papilas dérmicas en sus patas. Cuenta con un esqueleto robusto y un tronco corto y musculoso con los miembros anteriores proporcionalmente largos que contribuyen a sus habilidades a la hora de trepar y agarrarse. Unos fuertes músculos de los muslos que se unen a la tibia en una zona más baja que en otros animales les proporcionan una fuerza adicional a la hora de trepar. Tienen una almohadilla cartilaginosa al final de la columna vertebral que les ayuda a estar más cómodos cuando se posan en las ramificaciones de los árboles. Con un peso de tan solo 19,2 g, los koalas tienen uno de los cerebros más pequeños en proporción al peso corporal que cualquier otro mamífero, un 60 % más pequeño que el de un diprotodonto típico. La superficie del cerebro es bastante lisa, característica habitual en los animales más «primitivos» (plesiomorfia). Ocupa tan solo el 61 % de la cavidad craneal y está presionado contra la superficie interna por el líquido cefalorraquídeo. La función de esta cantidad relativamente grande de fluido se desconoce, aunque una posibilidad es que actúe como un amortiguador, absorbiendo impactos y protegiendo el cerebro si el animal cae de un árbol. El pequeño tamaño de su cerebro puede ser una adaptación a las restricciones energéticas impuestas por su dieta, que es insuficiente para mantener un cerebro más grande. Debido a su pequeño cerebro, la capacidad de los koalas para llevar a cabo comportamientos complejos o poco familiares es limitada; por ejemplo, cuando se le ofrecen hojas arrancadas de un árbol sobre una superficie plana, el animal no puede adaptarse al cambio en su rutina de alimentación normal y no las come.