Les cobayes sont de taille relativement grande pour des rongeurs, puisqu'ils pèsent entre 0,5 et 1,7 kilogramme et mesurent de 12 à 50 centimètres de long. Ils vivent trois à quatre ans en moyenne, huit au maximum[4]. Le corps de l'animal adulte est massif. Les pattes sont relativement courtes. Les membres antérieurs ont 4 doigts et les postérieurs ont 3 doigts, ils se terminent par des griffes acérées. Il n'y a pas de queue apparente. La tête est située dans le prolongement du corps, sans cou visible. Elle est terminée par un museau arrondi avec des narines écartées formant des fentes presque horizontales. Les vibrisses, ou moustaches, sont de taille moyenne, implantées dans toutes les directions et servent au cochon d'Inde à s'orienter dans l'obscurité. Les yeux, situés latéralement, couvrent un champ de 340° afin de pouvoir voir arriver les prédateurs. Ils peuvent être très ronds ou en amandes, légèrement saillants, noirs si le sujet n'est pas albinos et sans paupières visibles. Leur acuité visuelle est assez mauvaise. Leur vision scotopique n'est qu'en noir et blanc et leur permet principalement de distinguer les variations de luminosité. Les oreilles sont assez courtes, larges, fines, presque translucides chez les animaux clairs, couvertes d'un poil très court et rare. Elles sont situées vers l'arrière de la tête, de forme ondulante, « en feuille de choux » et parfois repliées vers l'avant avec une zone d’alopécie derrière chaque oreille. L'audition des cochons d'Inde est bien meilleure que celle de l'homme. La bouche est petite, arrondie et située très bas sous le museau. Comme tous les rongeurs ils ont des grandes incisives qui poussent continuellement. Elles s'usent naturellement par frottement mutuel, sauf si l'animal est atteint d'une malocclusion dentaire[5]. L'odorat est le sens le plus développé du cobaye. L'organe de Jacobson (ou organe voméro-nasal) permet au cochon d'Inde de reconnaître sa nourriture, son territoire et surtout ses congénères grâce à l'odeur de leur urine et celle des sécrétions corporelles. On peut ainsi faciliter la cohabitation de deux cochons d'Inde ne se connaissant pas en les plaçant dans une cage propre après les avoir tous deux bien lavés avec un shampoing identique. Leur température corporelle se situe entre 37 et 38 °C, leur fréquence respiratoire est de 100 et leur rythme cardiaque de 250 battements par minute. Le dimorphisme sexuel est peu apparent. Le pelage, court, dru et brun à l'origine (agouti), a donné par sélection au sein des élevages de très nombreuses variantes de coloris, de texture et de longueur. Le cobaye mue deux fois par an (en automne, il remplace ses fins poils d'été apparus au printemps par des poils plus épais pour faire face aux rigueurs de l'hiver). Ces périodes peuvent varier si le cobaye est élevé en intérieur à température constante (ce qui contribue à "dérégler" ces mécanismes naturels).