射撃に関しては驚異的な命中精度と早撃ちの技術を持つ。これは勉強中に鼻糞を飛ばした際、電球に偶然命中し、試しに的を作り飛ばして、その能力に気づいた。ただ、のび太が射撃が得意だと正式に設定されたのは、てんとう虫コミックス12巻の「けん銃王コンテスト」で、それ以前は下手だったという描写もある。早撃ちではプロの殺し屋・ギラーミンに一騎討ちで勝っている。これに関しては本人も「僕が負けるはずがない」と自負するほどだが、同時に初対面であるギラーミンの技量を一目で見抜き、長期戦は不利と悟り一瞬で片を付ける方法で勝負に出た。ヤドリの親玉が憑依した巨大ゴーレムにわざと掴みあげられ、ヤドリがゴーレムから飛び出して襲いかかってくる瞬間を早撃ちで倒したこともあった。また、モルグ街の数十人のアウトローを独りで撃退したこともあれば、ドリーマーズランドの西部の街で保安官になったりもしている。この時、1個の空き缶にピストルの弾丸6発を空中で全弾命中させるという離れ技も見せている。モルグ街での戦闘の際には本物の拳銃を撃っており、弾丸は肩と右横腹に命中した。致命傷には至っていないが、相手を負傷させてしまった罪悪感と出血を見たことで失神してしまい、「強いのか弱いのか、さっぱりわからん」と評されている。本人は「西部劇時代のアメリカに生まれていればきっと名ガンマンになれただろう」と夢想することがあるが、ドラえもんいわく「現代では全く役に立たない能力」と断じている。
0.93秒で眠りにつくことが可能。もしもボックスで作った眠ることがもっとも価値のある世界では、この速さはオリンピックの睡眠・昼寝大会でも金メダルを獲得できるほどの速さだとされ世界記録レベルらしい。アニメ版では0.3秒で眠りについたこともある。あまりに昼寝をしすぎるとさすがに目がさえて眠ることができなくなることもあり、そんな時はしかたなく勉強やテレビを見たり街中を散歩したりすることもある。一日の睡眠時間は12時間のようである。
運動音痴で泳ぎも全く出来ないカナヅチ。非力でけんかも弱い。ドラえもんの道具「正確グラフ」によると、筋力はジャイアンの3/10、スネ夫の3/7、しずかの3/5（ただしすぐ後のコマでは1/2となっている）。草野球の成績は打率1分（100打数で1安打）、防御率は2試合2イニングで405.0（ただし、これは失点をすべて自責点であると仮定したものである）、エラー多数。また、映画『のび太の銀河超特急』のように、1人対4人という絶体絶命のピンチに陥りながら、空中を1回転しながらピストルを放ち、全員に命中させるというアクションを発揮したことがある。
身長はジャイアンより低く、スネ夫より高い。他のクラスメイトたちと比較しても平均的な体格だが、やややせ気味。129.3cmのドラえもんと比べると高身長。大人ののび太の身長は176.9cmである。未来ののび太は中年期以降には父ののび助のような外見になっており、56歳になったのび太は眼鏡を外している。テレビアニメ第2作1期で大人ののび太は少年時代の特徴を残したまま大人になった印象で、細身で眼鏡をかけているが、テレビアニメ第2作2期における大人ののび太は原作に準拠したキャラクターデザインになっている。原作では細身の大人のび太と中年太りのび太も登場する。衣服については、原作ではしばしば変更されていた。テレビアニメ第2作1期では、基本的に、襟部分だけが白い、黄色のシャツに紺色の半ズボン姿（一部の例外を除く）。テレビアニメ第2作2期ではほぼエピソードごとに服装が異なっていたが2017年7月28日の｢あの名作が帰ってくる！ドラえもん夏の1時間スペシャル｣からは再度リニューアルが行われ、黄色もしくは赤色、水色の服を着るようになった。
丸顔に大きな眼鏡をかけている。ごく平凡な顔立ちで、髪型も特徴なし。「ぼくの顔はどうして漫画みたいなんだろ」と自分でも自分のパッとしない顔を気にしている。父・のび助よりは母・玉子に非常に似ている（近視も母譲り）。しかし、父・のび助の少年時代の顔はのび太に瓜二つであることから、のび太の顔は父親似であるとも言える。それどころか、野比家代々の先祖の少年時代の顔はそろってのび太に酷似している（つまり顔立ちは全ての直系長男が特徴として受け継いでいることになる）。近眼で眼鏡をかけている。原作では、25年後ののび太は眼鏡をかけておらず、近眼は大人になってから治ったという。しかしアニメでは、大人になっても眼鏡をかけたままになっている。眼鏡を取った顔は非常に小さい目をしており、この点は母親似である。のび太の父方の先祖や子孫が丸く大きな目（白目の部分が眼鏡のフレーム並みに大きい）であるのとは対照的である。就寝中に目を覚ました直後などには、眼が「3」や「ε」のような形をすることもある（いわゆる「寝ぼけまなこ」の状態。ただし、最近は「3」や「ε」のような形ではなく、普通の目として描写されている）。連載初期においては鼻が尖っており、その尖り具合は、未来の姿として描写された青年以降で特に顕著であった（このため青年以降ののび太の顔は、連載初期と中期以降で大きく異なる）。
啓蒙主義のことを狭苦しくて感覚的に冷めていると感じた若者たちの反応は、短い「シュトゥルム・ウント・ドランク」（Sturm und Drang、疾風怒涛、「嵐と衝動」）の時代を作り出した。この運動のほとんどは、いかなる形の専制にも抵抗するという信念をもった若者たちによって構成されており、かれらは芸術の領域においても他からの干渉を許すべきでないと考えていた。この時代の特徴として、規範にしばられない「天才」という観念が流行し、古典よりも自分たちをとりまく「今、ここで」起こっている問題に重きを置いていたという点がある。ヨーハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテは、書簡体小説『若きウェルテルの悩み』で、実る見込みのない恋の絶望のうちに自殺する感情豊かな若者を描いた。フリードリヒ・フォン・シラーは、戯曲『群盗』において自由を重んじ父と秩序に反抗する若者を描き、その作品が舞台に上るや一大センセーションを起こした。ヤーコプ・ミヒャエル・ラインホルト・レンツは、『家庭教師』のなかで知識階級の若者が抑圧された状況を表現した。これと並んで、感情と情念を主題とした抒情詩も重要である。「シュトゥルム・ウント・ドランク」の時代は長くは続かなかった。この運動の主役を担った若者たちは成長して別の精神的傾向に傾き、あるいは情熱のおもむく果てに若くして命を失ったのである。ゲーテとシラーは古典に回帰して次の時代を開き、レンツはかれを取り巻く環境に適応することを潔しとせずに孤独のうちに死を迎えた。