猫头鹰的外形极具特色，有着独特的辨识度。猫头鹰的头部宽大，面盘显著，呈圆形或心脏形，有的种类面盘周围还环绕着辐射状的纤羽，就像戴了一副面具，这不仅增加了它们的神秘感，还对收集声音有一定作用。

它们的眼睛又大又圆，固定在眼窝内，无法像人类一样转动眼球，但它们的脖子非常灵活，能旋转270度左右，这使得它们在不用移动身体的情况下，就能观察到周围各个方向的情况。猫头鹰的眼睛对光线极为敏感，在夜间能够清晰地看到猎物，其视网膜上含有大量的视杆细胞，而视锥细胞较少，这种结构让它们在弱光环境下具有出色的视觉能力。

猫头鹰的喙短而弯曲，呈钩状，非常适合撕裂猎物。它们的羽毛柔软而浓密，具有良好的保暖性和静音飞行功能。猫头鹰的翅膀宽大，羽毛边缘呈锯齿状，这种特殊的羽毛结构能够减少飞行时空气的湍流，使它们在飞行过程中几乎不会发出声音，从而能够悄无声息地接近猎物。不同种类的猫头鹰体型差异较大，小的如鸺鹠，体长仅十几厘米；大的如雕鸮，体长可达70厘米左右。它们的羽毛颜色和图案也多种多样，与周围环境相融合，起到很好的伪装作用。