Очень мелкая птица, своим шарообразным сложением похожая на пеночек, с очень коротким хвостом, короткой шеей и большой головой. Длина тела 9—10 см, размах крыльев 15—17 см, масса 4—8 г[4]. Верх зеленовато-оливковый, низ сероватый, на крыле выделяются две белые поперечные полоски. Вдоль темени проходит жёлтая с чёрными каёмками полоса, более широкая и с оранжевым оттенком у самца, и с лимонным оттенком у самки. Когда птица взволнована, жёлтые перья приподнимаются и образуют небольшой хохолок[6]. Вокруг глаза тонкое кольцо белых коротких пёрышек. Клюв тонкий и заострённый. Молодые птицы похожи на взрослых, до первой осени отличаясь от них отсутствием жёлтой полосы на голове. Близкий и сходный по окрасу красноголовый королёк, на территории России встречающийся только во Псковской области и на западе Большого Кавказа, отличается хорошо заметной белой бровью и чёрной уздечкой. Корольковая пеночка, распространённая в Сибири и на Дальнем Востоке, имеет жёлтую бровь, чёрную полоску через глаз и жёлтое пятно на пояснице. Выделяют до 14 подвидов желтоголового королька, отличающихся между собой деталями окраски и в отдельных случаях экологией[6].