แมวทรายเป็นแมวที่อยู่ในสกุล Felis เช่นเดียวกับแมวบ้าน (F. catus) หรือแมวป่า (F. chaus) เป็นแมวที่มีขนาดเล็ก ช่วงขาสั้น หางยาว หัวมีลักษณะกลมใหญ่ มีขนสีน้ำตาลซีดจนถึงเทาอ่อนกลมกลืนไปกับสภาพแวดล้อม ขนใต้ท้องสีขาว มีแถบสีดำที่ทั้งสีข้างและหาง มีแถบสีแดงเข้มพาดจากหางตามาถึงแก้ม เยื่อเมือกดวงตาเป็นสีดำ ใบหูใหญ่เป็นรูปสามเหลี่ยมปลายเรียว ช่วยในการได้ยินเสียงค่อนข้างดี และสามารถจับแรงสั่นสะเทือนบนพื้นทรายได้ดีกว่าสัตว์ชนิดอื่น มีความสูงถึงช่วงไหล่ประมาณ 24–36 เซนติเมตร (9.4–14.2 นิ้ว) และน้ำหนัก 1.5–3.4 กิโลกรัม (3.3–7.5 ปอนด์) ความยาวลำตัวหัวประมาณ 39–52 เซนติเมตร (15-20 นิ้ว) และความยาวหาง 23.2–31 เซนติเมตร (9.1–12.2 นิ้ว) มีขนที่อุ้งตีนช่วยป้องกันความร้อนจากพื้นและช่วยเก็บเสียงขณะเดินบนพื้นที่มีผิวหยาบร่วน เมื่อเดินบนพื้นทรายแทบจะไม่ปรากฏรอยเท้าเลย ประสาทหูไวมาก เหมาะสำหรับการหาเหยื่อในพื้นที่ที่หาเหยื่อยาก คาดว่าแมวทรายได้ยินเสียงอัลตราโซนิกจากเหยื่อที่อยู่ใต้ดินได้เช่นเดียวกับเซอร์วัล (Leptailurus serval) ซึ่งเป็นแมวป่าที่มีขนาดใหญ่กว่า มีความทนทนต่อสภาพภูมิอากาศที่แตกต่างกันสุดขั้วในทะเลทราย ตั้งแต่ –5 องศาเซลเซียส จนถึง 52 องศาเซลเซียส ในช่วงฤดูหนาวขนของแมวทรายอาจยาวงอกมากกว่าปกติได้ถึง 5 เซนติเมตร เพื่อให้ร่างกายได้รับความอบอุ่น[2]