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Lo que más caracteriza a esta especie es la presencia de manchas blancas o amarillentas en torno a los ojos, que en ocasiones llegan a la zona de la garganta y pecho, aunque en algunos especímenes pueden faltar totalmente las manchas claras en el rostro. El patrón del dibujo de tales manchas varía de un individuo a otro. El color de pelaje más común es el negro, aunque se encuentran ejemplares de color marrón y, con mucha menor eventualidad, de color rojizo.
Es uno de los mamíferos sudamericanos de mayor alzada. Su cabeza es grande en relación al resto del cuerpo (característica en común con el Panda gigante), posee poderosa mandíbula teniendo el cráneo dos importantes fosas maseteras. Su cuerpo llega a medir 1,8 m pero en la actualidad es más frecuente encontrar ejemplares de 1,5 m. El peso de los machos adultos ronda los 140 kg. Sus garras, muy adaptadas para trepar a los árboles, poseen afiladas uñas. Se percibe una convergencia evolutiva: el cuerpo de estos osos llega a recordar al de los grandes primates (de allí que en muchos lugares dieran lugar a mitos y leyendas referidas a "hombres salvajes peludos que viven en las selvas").
Tremarctos ornatus tiene varias características anatómicas únicas entre los osos vivientes. Según Mondolfi (1983) otros criterios que indican que el oso de anteojos es único entre los osos actuales son las características bioquímicas de la sangre y el número cromosómico que es de 52, mientras que en los otros osos actuales es de 74. Además, Ruiz-García (2000) agrega que “Las seis especies del género Ursus poseen cariotipos prácticamente idénticos compuestos por 74 cromosomas acrocéntricos. Por el contrario, el oso de anteojos posee un número diploide de 52 cromosomas con dos brazos”. En suma, el oso de anteojos presenta diferencias tanto en el número como en la forma de los cromosomas. Esta información resulta muy importante pues, sobre la base de datos moleculares es posible estimar los tiempos de separación entre líneas filéticas emparentadas. Así, la divergencia de Tremarctos de la línea basal constituida por Ursus se habría dado hace unos 12 millones de años antes del presente. Por lo tanto, Tremarctos ornatus constituye una línea genética y filogenética única.