esafe seslenmenin evrimlerinin erken zamanlarında ortaya çıktığına işaret eder. Miyosen devrinde Avustralya kıtasında giderek kurak bir iklimin ortaya çıkmasıyla yağmur ormanları yok olmuş ve yerine "Eucalyptus" ağaçlarından oluşan bitki örtüsü yayılmıştır. "Phascolarctos" cinsi "Litokoala" cinsinden Miyosenin sonlarına doğru ayrılmış ve yalnızca okaliptüs yaprakları ile beslenmesine olanak sağlayacak çeşitli adaptasyonlar geçirmiştir: Damak kafatasında öne doğru kaymış, azı ve ön azı dişleri daha büyümüş, pterygoid fossa küçülmüş ve azı dişleri ile kesici dişler arasındaki boşluk artmıştır.

Pliyosen ve Buzul Çağlarında, Avustralya hem iklim hem de bitki örtüsü değişikliği geçirdiğinde koala türlerinin de boyutları büyümüştür. "Phascolarctos cinereus" dev koalanın ("P. stirtoni") cüce formu olarak ortaya çıkmış olabilir. Büyük memelilerin boyutlarının küçülmesi Buzul Çağı'nın sonlarında dünya üzerinde genel olarak görülen bir fenomendir ve geleneksel olarak "Macropus agilis" gibi Avustralya'ya özgü çeşitli memelilerin bu cüceleşme sonucu ortaya çıktığına inanılmaktadır. 2008 yılında yapılan bir araştırmada bu varsayım sorgulanır ve "P. cinereus" ile "P. stirtoni" türlerinin Buzul Çağı'nın ortalarında ve sonlarında simpatrik olduğu belirtilir ki bu durumun Pliyosen'de başladığı bile düşünülmektedir. Günümüz koalasının fosil kalıntıları en azından Buzul Çağı'nın ortalarına kadar gitmektedir.

Geleneksel olarak üç farklı alt tür tanınmaktadır: Queensland koalası ("P. cinereus adustus", Thomas 1923), Yeni Güney Galler koalası ("P. c. cinereus", Goldfuss 1817) ve Victoria koalası ("P. c. victor", Troughton 1835). Bu formlar kürk rengi ve kalınlıkları, gövde boyutları ve kafatası şekilleri ile ayırt edilirler. Queensland koalası kısa, gümüşî kürkü ve küçük kafatasıyla içlerinde en küçük yapılı olanıdır. Victoria koalası karışık kahverengi kürkü ve geniş kafatasıyla en büyükleridir. Bu varyasyonların yaşadığı yerlerin sınırları Avustralya'daki eyalet sınırları ile belirlenmiştir ancak alt tür olarak tanınmaları tartışmalı bir konudur. 1999 yılında yapılmış bir genetik araştırma sonucunda üç varyasyonun kendi aralarında sınırlı gen akışı olan farklılaşmış popülasyonları gösterdiği ve bu üç alt türün tek bir evrimsel açıdan önemli birimi temsil ettiği önerilmiştir. Başka çalışmalar koala popülasyonlarında inbred düzeyinin yüksek ve genetik varyasyonun düşük olduğunu göstermektedir. Bu kadar düşük bir genetik çeşitlilik Buzul Çağı'ndan beri koala popülasyonlarının bir karakteristiği olmuş olabilir. Akarsular ve yolların gen akışını sınırlandırdığı ve güneydoğu Queensland popülasyonunun genetik çeşitliliğine yol açtığı gösterilmiştir. Nisan 2013'te "Queensland University of Technology"de yapılan çalışmalar sonucunda koala genomunun tam dizilemesinin yapıldığı duyurulmuştur.

Koala büyük kafalı, körelmiş kuyruğu olan ya da kuyruksuz, tıknaz bir hayvandır. Boyu 60 ila 85 cm., ağırlığı da 4 ila 15 kg. arasında değişir ve bu boyutlar ile ağaçlarda yaşayan en büyük keseli memeli türüdür. Göz renkleri kahverengidir. Fakat 2009 yılında dünyanın ilk mavi gözlü koalası dünyaya gelmiştir. Victoria koalalarının ağırlığı Queensland koalalarının ağırlığının iki katıdır. Eşeysel dimorfik olan türün erkekleri dişilerine göre %50 daha büyüktür. Ayrıca erkeklerin burunları dişilere göre daha kıvrıktır ve göğüslerinde kılsız bölgeler şeklinde görülen koku bezleri bulunur. Keseli memelilerin çoğunda olduğu gibi erkek koalanın penisi de çatallıdır ve dişi koalalarda buna karşılık iki vajina ile iki ayrı rahim bulunur. Erkeğin prepüsünde doğal olarak bulunan bakteriler döllenmede önemli bir rol oynar. Dişinin kese ağzı yavruların keseden düşmesini engelleyen bir sfinkter kas ile sıkışır.

Koalaların vücut yapıları bulundukları çevrede ihtiyaçlarını üst düzeyde karşılayacak niteliktedir. Koalanın kürkü sırtında kalın ve uzun, karnında ise kısa tüylüdür. Kulak kepçelerinin içi ve dışındaki tüyler kalındır. Sırt kürkünün rengi açık gri ile çikolata kahverengi arasında değişir. Karın kürkü beyazımsıdır, kalça kısmında benekli beyaz olan kürk sırta doğru koyulaşır. Koalanın sırt kürkü keseli memeliler arasında en etkili yalıtıma sahiptir ve rüzgâr ile yağmura çok dayanıklıdır; karın kürkü ise güneşin yaydığı radyasyonu yansıtır. Koalanın kıvrık ve keskin pençeleri ağaçlara tırmanmak için çok iyi adaptasyon geçirmiştir. Büyük ön pençelerinin ilk iki parmağı diğer üç parmağı ile karşı karşıya gelebilme yetisine sahiptir dolayısıyla küçük dalları bile rahatlıkla kavrayabilirler. Arka pençelerinin ikinci ve üçüncü parmakları, Diprotodontia üyelerinde tipik olarak görüldüğü üzere, birbirine yapışıktır ve bu parmakların ucundaki ayrık tırnaklar daha çok temizlenmek amaçlı kullanılır. Pençeleri ağaçların yumuşak ve düzgün gövdelerine çengel gibi saplanabilen koalaların dört ayağı da ağaç dallarını rahatlıkla kavrayabilir ve dallara sarılarak tırmanmalarını sağlar. İnsanlarda ve diğer primatlarda olduğu gibi koalaların pençelerinde de kabarık çizgiler bulunur. Hayvan dayanıklı bir iskelete sahiptir ve kısa, kaslı üst gövdesi ile birlikte görece uzun ön uzuvları tırmanma ve tutunma yeteneğine yardımcı olur. Kaval kemiğine diğer hayvanlardan daha aşağıda bağlanan kalça kasları da tırmanma için fazladan kuvvet sağlarlar. Koalanın belkemiğinin ucunda bulunan kıkırdaksı yapı da, ağaç dallarının oluşturduğu çatala tünediğinde rahat etmesini sağlar.
Koala beyni, memeliler arasında vücut ağırlığına oranla en küçük beyinlerden biridir ve tipik iki ön dişliler takımı üyelerine göre %60 daha küçüktür. Beyinlerinin yüzeyi "ilkel" hayvanlarda görüldüğü üzere oldukça düz bir yapıya sahiptir. Kafatası boşluğunun yalnızca %61'ini doldurur ve iç yüzeye beyin-omurilik sıvısı ile basılı durur. Beyin-omurilik sıvısının görece yüksek miktarda olmasının sebebi bilinmemekle birlikte bunun nedenlerinden birinin hayvanın ağaçtan düşmesi durumunda beynini koruyacak şekilde amortisör görevi görmesi olduğu düşünülmektedir. Koalanın küçük beyin boyutu, daha büyük bir beyni idare edemeyecek kadar düşük enerji veren beslenme özelliklerine bir adaptasyon olabilir. Küçük beyninden ötürü koalanın karmaşık ve sıradışı davranışları gerçekleştirme yetenekleri kısıtlıdır. Örneğin koalaya, düz bir yüzey üstünde koparılmış yapraklar verildiğinde hayvan alışık olduğu beslenme rutininin dışına çıkamaz ve bu yaprakları yemez. Koalanın koku alma duyusu normaldir ve yenip yenemeyeceğini anlamak için dallarda bulunan yağları kokladığı bilinir. Burnu oldukça büyüktür ve sert deri ile kaplıdır. Yuvarlak kulakları iyi işitmesini sağlar ve orta kulağı iyi gelişmiştir. Koalanın görme duyusu ise iyi gelişmemiştir ve görece küçük gözleri keseli memeliler arasında pek görülmeyen şekilde dikey çizgili gözbebeklerine sahiptir. Koalalar pes sesler çıkarmak için tuhaf bir ses organına sahiptir. Memelilerde tipik olarak gırtlakta bulunan ses telleri yerine ses organları yumuşak damaklarında yerleşmiştir.
Koala, çok az besleyici değere sahip olan, yüksek oranda zehirli ve yüksek miktarda lif içeren okaliptüs diyetine uygun çeşitli adaptasyonlar geçirmiştir. Hayvanın dişleri önde kesiciler ve diastema adı verilen otobur hayvanların özelliği olan büyük bir boşlukla ayrılmış ve her çenede bir ön azı ve dört azı dişinden oluşur. Kesici dişler yaprakları tutup ön azı dişlerine aktarmaya, ön azı dişleri yaprakları yaprak sapından koparmaya ve azı dişlerine geçirmeye yarar. Yüksek tüberküllü azı dişleri de yaprakları küçük parçalara ayırır. Koalalar aynı zamanda çiğnemeden önce yaprakları yanak keselerinde saklayabilir. Orta yaşlı koalaların kısmen aşınmış azı dişleri yaprakları küçük parçalara ayırmak için optimal duruma gelmişlerdir ve böylece hayvanın enerjisinin çoğunu sağlayan okaliptüs yapraklarını sindiren ince bağırsaklarda besin emilimi ve midede sindirim daha etkili olabilmektedir. Koala bazen yuttuğu besini tekrar ağzına getirerek ikinci kez çiğneyebilir.

Kangurular ve okaliptüs ile beslenen possumların aksine koalaların sindirim süreci arka bağırsak mayalanması ile olur ve sindirim süreleri doğal ortamlarında 100 saate, esaret altında ise 200 saate kadar çıkabilmektedir. Bu süreler orantısal olarak tüm hayvanlar içinde 200 cm uzunluğunda ve 10 cm çapında olan en büyük kör bağırsağa sahip olmaları ile açıklanabilmektedir. Koalalar hangi besinlerin sindirilirken daha uzun süre mayalanacağını, hangilerinin daha çabuk sindirileceğini seçebilirler. Büyük parçalar sindirilmek için daha çok zaman harcayacağından daha hızlı bir şekilde sindirim sistemlerinden geçer. Her ne kadar arka bağırsak koalalarda diğer otoburlara göre görece daha büyükse de hayvan enerjisinin yalnızca %10'unu mayalanma sonucu elde eder. Okaliptüs yapraklarında güçlü kokulu yağlar, fenolik bileşimler ve birçok memeli için yenilemez hatta zehirli olan siyanür niteliğinde maddeler de bulunur. Başka hayvanlar için zararlı olan bu maddeler koalanın vücudunda zehir etkisini kaybeder. Çünkü koala, çok özel anatomisi ve fizyolojisi olan bir sindirim sistemine sahiptir. Diğer otçul memeliler gibi koala da okaliptüslerin ana maddesi olan selülozu sindiremez. Ancak bu işlemi, onun için selülozu sindirebilen ve koalanın körbağırsağında yaşayan mikro organizmalar yapar. Yağlar ve zehirli niteliğe sahip kimyasallar (fenol bileşikleri) karaciğerde süzülmeye uğrayarak etkisiz hale gelir. Koalalar türlerinin bir gereği olarak belli vakitlerde beslenmezler. Bu vakitler genelde güneşin doğuşu ve batışı arasında geçen süredir. Vücutlarındaki fazla yağları bu vakitler arasında yakarlar. Aldığı besinlerle koala çok az enerji elde edebildiği için de bazal metabolizmaları tipik memelilerin yarısı kadardır, ancak bu, mevsimler ve cinsiyetler arasında farklılık gösterebilir. Koalanın tek besin kaynağı okaliptüs yapraklarıdır. Bu ise hayvanın karbonhidrat gereksinimini tümüyle mikroorganizmaların selülozu sindirmesiyle karşılaması demektir. Bu durum, mikroorganizmalar olmadan koalaların yaşamasının mümkün olamayacağını açıkça göstermektedir. Koala görece kuru ve yük