De koolmees herken je aan zijn zwarte kopje met witte wangen. Zijn lijf is geel en hij heeft een zwarte streep van boven tot onder lopen over zijn borst. Deze zwarte streep is bij mannetjes breder dan bij vrouwtjes. Ook is de gele kleur feller bij een mannetjes koolmees dan bij een vrouwtjes koolmees.
De koolmees is 13,5 tot 15 centimeter groot en heeft een spanwijdte van 22,5 tot 25,5 centimeter. Een volwassen koolmees weegt ongeveer 17 gram. De koolmees wordt ongeveer 10 jaar oud, mits goede leefomstandigheden. Van een geringde koolmees is bekend dat hij 15 jaar oud is geworden en de schatting is dan ook dat koolmezen zelfs nog een stuk ouder kunnen worden dan 15 jaar.
Koolmezen zijn groter dan de gemiddelde mees en daardoor is hij ook een stuk minder behendig. Waar een pimpelmees gemakkelijk kan hangen aan een voedersilo om er uit te eten, eet een koolmees liever van de grond. Ook een voedertafel of voederhuisje vindt hij wel zo prettig.