O mico-leão-dourado possui toda a pelagem de cor ruiva a dourada, o que conferiu o nome popular, e possui uma juba derivada de pelos que saem das bochechas, cabeça, pescoço e cobrem as orelhas. Acredita-se que essa cor de pelagem deva-se à ingestão de carotenoides e à exposição à luz solar: observa-se em alguns animais em cativeiro, uma coloração mais clara, e provavelmente isso se deve a dieta deficitária em carotenoidesOs pelos são trocados gradativamente, uma vez ao ano, principalmente na estação chuvosa. Fêmeas grávidas perdem menos pelos no período da troca. A face é negra, quase nua.

Tem 26 cm de comprimento sem a cauda e pesa 620 g em média. Animais criados em cativeiro podem chegar até 800 g, o que representa o maior tamanho entre os Callitrichinae.

Tem uma taxa metabólica menor do que esperado para um animal de seu tamanho, mas ainda é maior que muitos primatas noturnos com hábitos alimentares semelhantes. A temperatura corporal varia de forma significativa entre 39 °C de dia, e 37,4 °C à noite