Внешне вомбат напоминает медвежонка или очень крупного хомяка. По строению тела и отдельных деталей организма он имеет много общего с коалой, но в действительности их родство достаточно отдалённое.
Длина тела вомбата — от 70 до 130 см, вес — от 20 до 45 кг. Самым крупным из ныне живущих является широколобый вомбат. Среди вымерших вомбатовых были виды, значительно превосходившие по размерам современных представителей семейства. Так, живший в плейстоцене Phascolonus gigas весил около 200 кг.
Туловище толстое, устроено компактно. Голова большая, производит впечатление слегка расплющенной с боков, глаза маленькие, уши округлые, небольшие, прижаты к голове. Нос у обыкновенного вомбата — голый, у остальных видов — волосатый. Хвост короткий. Конечности короткие и сильные, на каждой из них пять пальцев, из которых внешние четыре увенчаны большими когтями, приспособленными для копания земли. Шерсть тёмная, серых или коричневых оттенков, в зависимости от вида.
Челюсти и зубы вомбатовых проявляют сходство с грызунами. В верхнем и нижнем ряду у вомбатов имеется по паре передних режущих зубов. Жевательные зубы построены весьма просто, угловые зубы отсутствуют. У вомбатовых наименьшее количество зубов среди сумчатых — 12.
У вомбатов острый слух и обоняние, но довольно слабое зрение. Несмотря на внешнюю неуклюжесть, они очень быстрые: спасаясь от опасности, вомбат может легко влезть на дерево, нырнуть в водоём или убежать. Могут бежать со скоростью до 40 км/ч, а на коротких дистанциях достигают скорости в 60 км/ч.