Svartmeis måler cirka 10–12 cm og veier typisk cirka 7,2–12 g. Den er med dette minst i meisefamilien. Svartmeisen har en kort stjert. Hodet har svart krone med hvite kinnflekker, og arten har dessuten en karakteristisk hvit flekk i nakken. Fem av underartene har oppreist fjærpryd (fjærtopp) i bakhodet (, , , og ). På oversiden er den grå med hvite vingebånd og på undersiden har den en lys gråbeige farge. Fargene varierer imidlertid ganske mye med utbredelsen, fra hvit til rustgul og stålgrå i buken, selv om tegningene er ganske like. Den kan forveksles med granmeis og løvmeis, men disse har ikke en hvit nakkeflekk.