นกยูงไทยเป็นนกจำพวกไก่ฟ้าขนาดใหญ่ นกตัวผู้อาจยาวได้ถึง 3 เมตรเมื่อรวมหาง อาจหนักถึง 5 กก. ตัวเมียยาว 1.1 เมตร หนักประมาณ 1.1 กก. ช่วงปีกกว้าง 1.2 เมตร นกตัวผู้มีหงอนเป็นพู่สูงและมีแผ่นหนังที่หน้าสีฟ้าสลับสีเหลืองเห็นได้ ชัดเจน ขนลำตัวมีสีเขียวเป็นประกายแววเหลือบสีน้ำเงินบนปีกและสีทองแดงทางด้านข้าง ลำตัวดูเป็นลายเกล็ดแพรวพราวไปทั้งตัว ขนปีกบินสีน้ำตาลแดง ขนคลุมโคนหางยื่นยาวออกมาก มีสีเขียวและมีจุดดวงตากลมที่ขลิบด้วยสีฟ้าและสีน้ำเงิน นกตัวเมียลักษณะโดยทั่วไปคล้ายนกตัวผู้ แต่ขนสีเหลือบเขียวน้อยกว่าและมีประสีน้ำตาลเหลืองอยู่ทั่วไป ขนคลุมโคนหางไม่ยื่นยาวดังเช่นในนกตัวผู้ นกยูงไทยบินได้เก่งกว่านกยูงอินเดีย

นกตัวผู้ของสปีชีส์ย่อย imperator และ spicifer มีสีเขียวออกฟ้า ชนิดย่อยแรกมีสีเขียวเหลือบที่อก คอ ปีกด้านใน และด้านนอกขนปีกกลาง ชนิดหลังสีทึบกว่า อกและคอสีออกฟ้ากว่า มีสีดำมากกว่าตรงปีกด้านใน และด้านนอกขนปีกกลาง ขณะที่ชนิดย่อย muticus มีขนสีเขียวทองมีสีฟ้าเล็กน้อยบนคอและอก ขนอกและคออาจเปลี่ยนได้หลากหลายขึ้นอยู่กับอายุและเพศ[3]