Общая длина 58-75 см, размах крыльев 110-140 см. Вес самцов 2,4-3,35 кг, самок 1,8-2,4 кг. В летнем оперении голова и шея сверху пепельно-серые, по бокам сравнительно толстой шеи продольные узкие белые и черные полоски, развитые также на боках груди. Подбородок, горло и нижняя часть шеи черные с металлическим фиолетовым или зеленоватым отливом, на границе горла и шеи узкое полукольцо с продольным рисунком из коротких белых штрихов. Верхняя сторона тела черная, буроватая к бокам, с яркими белым рисунком из широких поперечных полос на спине и верхних кроющих крыла и мелкими округлыми пятнами в нижней части тела. Центральная часть груди и вся брюшная сторона белые. Клюв черный со слегка загнутым у вершины коньком, плавающая птица обычно держит его горизонтально. Половой диморфизм отсутствует. Молодые птицы похожи на взрослых в зимнем оперении, но граница светлого и тёмного на шее и голове размытая, на спине чешуйчатый рисунок.

От краснозобой чернозобая гагара отличается, помимо крупных размеров и деталей окраски, прямым (не «вздёрнутым») клювом, а в полёте — более грубым сложением; шея кажется относительно более короткой и тонкой. От белоклювой и темноклювой гагар чернозобую на значительном расстоянии легче всего отличить по серой (не чёрной) окраске головы. В зимнем наряде окраска спинной стороны чернозобой гагары значительно более однородна, чем у краснозобой.