นกกระเรียนไทยเป็นนกขนาดใหญ่ มีลำตัวและปีกสีเทา คอตอนบนและหัวเป็นหนังเปลือยสีแดงไม่มีขน ตรงกระหม่อมเป็นสีเทาหรือเขียว คอยาวเวลาบินคอจะเหยียดตรงไม่เหมือนกับนกกระสาซึ่งจะงอพับไปด้านหลัง ขนปลายปีกและขนคลุมขนปลายปีกสีดำ ขนคลุมขนปีกด้านล่างสีเทา ขนโคนปีกสีขาว ขายาวเป็นสีชมพู มีแผ่นขนหูสีเทา ม่านตาสีส้มแดง ปากแหลมสีดำแกมเทา นักวัยอ่อนมีปากสีค่อนข้างเหลืองที่ฐาน หัวสีน้ำตาลเทาหรือสีเนื้อปกคลุมด้วยขนนก[5]

หนังเปลือยสีแดงบริเวณหัวจะแดงสดใสในช่วงฤดูผสมพันธุ์ หนังบริเวณนี้จะหยาบเป็นตะปุ่มตะป่ำ มีขนสีดำตรงข้างแก้มและท้ายทอยบริเวณแคบ ๆ ทั้งสองเพศมีลักษณะและสีคล้ายกัน เพศผู้ใหญ่กว่าเพศเมียเล็กน้อย ไม่มีความแตกต่างทางเพศอื่นที่ชัดเจนอีก นกกระเรียนไทยเพศผู้ในอินเดียมีขนาดสูงที่สุดคือประมาณ 200 เซนติเมตร ช่วงปีกยาว 250 เซนติเมตร ทำให้นกกระเรียนไทยเป็นนกที่บินได้ที่สูงที่สุดในโลก ในชนิดย่อย antigone มีน้ำหนัก 6.8–7.8 กิโลกรัม ขณะที่ sharpii มีน้ำหนักประมาณ 8.4 กิโลกรัม โดยทั่วไปแล้วจะมีน้ำหนัก 5–12 กิโลกรัม สูง 115–167 เซนติเมตร ช่วงปีกยาว 220–280 เซนติเมตร[6] นกจากประเทศออสเตรเลียจะมีขนาดเล็กกว่านกจากเขตทางเหนือ[7]

ในประเทศออสเตรเลีย นกกระเรียนไทยมักจะสับสนกับนกกระเรียนออสเตรเลีย สีแดงบนหัวของนกกระเรียนออสเตรเลียจะมีแค่บนหัวไม่แผ่ลงมาถึงคอ[6]