Anchiornis é um pequeno dinossauro troodôntico precoce com um crânio triangular como outros troodontídeos. Além disso, Anchiornis tinha pernas longas, geralmente uma indicação de um corredor forte. Entretanto, as penas extensas das pernas indicam que pernas longas podem ser um traço vestigial, porque os animais correndo tendem a ter pêlos ou penas reduzidas, e não aumentadas, em suas pernas. Os membros anteriores de Anchiornis também eram muito longos, incomuns entre os troodontídeos (que tendem a ser de criação curta) mas semelhantes aos dromaeosauros e pássaros precoces, enfatizando sua posição basal ("primitiva") entre os dinobirds.
Penas
Enquanto o primeiro espécime de Anchiornis, encontrado nos anos 2000, preservava apenas traços fracos de penas ao redor da porção preservada do corpo, o segundo espécime bem preservado mostrou uma preservação quase completa das penas, permitindo aos pesquisadores identificar a estrutura das penas e como elas eram distribuídas.
Como em outras aves primitivas, como Microraptor, Anchiornis tinha asas grandes, compostas de penas de vôo presas ao braço e à mão (como nas aves modernas), bem como penas de vôo nas patas traseiras, formando um arranjo de asas dianteiras e traseiras. A costura de Anchiornis era composta de 11 penas primárias e 10 penas secundárias. Ao contrário do Microraptor, as penas primárias em Anchiornis eram aproximadamente tão longas quanto as secundárias e formavam uma asa mais arredondada, com palhetas centrais curvas mas simétricas, um tamanho relativo pequeno e fino, e pontas arredondadas, todas indicando uma habilidade aerodinâmica mais pobre em comparação com seu parente posterior. No Microraptor e no Archaeopteryx, as penas mais longas do forewing eram as mais próximas da ponta da asa, fazendo as asas parecerem longas, estreitas e pontiagudas. Entretanto, em Anchiornis, as penas mais longas das asas estavam ancoradas perto do pulso, fazendo com que a asa fosse mais larga no meio e cônica perto da ponta para um perfil mais arredondado e menos adaptado ao vôo.
As asas posteriores de Anchiornis também eram mais curtas que as de Microraptor, e eram compostas por 12-13 penas de vôo ancoradas na tíbia (perna inferior) e 10-11 nos metatarsos (pé superior). Também ao contrário do Microraptor, as penas das asas posteriores eram as mais longas e mais próximas do corpo, com as penas do pé curtas e direcionadas para baixo, quase perpendiculares aos ossos do pé. Ao contrário de qualquer outro dinossauro mesozóico conhecido, os pés de Anchiornis (exceto as garras) estavam completamente cobertos de penas (muito mais curtas do que as que compõe a asa posterior).
Dois tipos de penas mais simples, penugentas (plumaceosas) cobriram o resto do corpo, como no Sinornithosaurus. Penas longas de penugem cobriam quase toda a cabeça e pescoço, tronco, pernas superiores e a primeira metade da cauda. O resto da cauda tinha penas de cauda penugenta (rectrices).
Cor
Em 2010, uma equipe examinou inúmeros pontos entre as penas de um exemplar de Anchiornis extremamente bem conservado para pesquisar a distribuição dos melanosomas, as células pigmentares que dão cor às penas. Estudando os melanosomas e comparando-os com os das aves modernas, os cientistas puderam mapear as cores e os padrões presentes em Anchiornis quando este estava vivo. Embora esta técnica já tivesse sido utilizada antes, Anchiornis tornou-se o primeiro dinossauro mesozóico pelo qual quase toda a coloração da vida era conhecida.
A maioria das penas do corpo de Anchiornis era cinza e preta. A coroa das penas da cabeça era principalmente avermelhada com uma base e frente cinza, e o rosto tinha manchas avermelhadas entre as penas predominantemente pretas da cabeça. As penas das asas dianteiras e traseiras eram brancas com pontas pretas. As penas das coberteiras (penas mais curtas cobrindo as bases das penas longas das asas) eram cinzas, contrastando com as asas principais principalmente brancas. As coberturas maiores da asa eram também brancas com pontas cinzas ou pretas, formando filas de pontos mais escuros ao longo do meio da asa. Estes tomavam a forma de listras escuras ou mesmo filas de pontos na asa externa (coberturas primárias de penas), mas uma matriz mais desigual de manchas na asa interna (coberturas secundárias). As hastes das pernas eram cinzas, além das longas penas das asas posteriores, e os pés e dedos dos pés eram pretos.
Como muitas aves modernas, Anchiornis exibia um padrão complexo de coloração com diferentes cores em padrões salpicados no corpo e nas asas, ou "coloração de plumagem dentro e entre as penas". Nas aves modernas, tal padrão de cor é usado na comunicação e exibição, seja para membros da mesma espécie (por exemplo, para exibição de acasalamento ou ameaça territorial) ou para ameaçar e advertir as espécies concorrentes ou predadoras.
