L'Anchiornis est un petit dinosaure troodontique précoce dont le crâne est triangulaire, comme celui des autres troodontides. De plus, Anchiornis avait de longues pattes, ce qui indique généralement un coureur puissant. Cependant, les plumes étendues des pattes indiquent que les longues pattes peuvent être un trait vestigial, car les animaux qui courent ont tendance à avoir moins, et non plus, de poils ou de plumes sur leurs pattes. Les membres antérieurs de l'Anchiornis étaient également très longs, ce qui est inhabituel chez les troodontides (qui ont tendance à être courts) mais similaire aux dromaeosaurides et aux premiers oiseaux, ce qui souligne sa position basale ("primitive") chez les dinobirds.
Plumes
Alors que le premier spécimen d'Anchiornis, trouvé dans les années 2000, ne conservait que de faibles traces de plumes autour de la partie préservée du corps, le second spécimen, bien préservé, montrait une préservation presque complète des plumes, ce qui a permis aux chercheurs d'identifier la structure des plumes et leur répartition.
Comme d'autres oiseaux anciens, tels que le Microraptor, l'Anchiornis avait de grandes ailes, composées de plumes de vol attachées au bras et à la main (comme chez les oiseaux modernes) ainsi que de plumes de vol sur les pattes arrière, formant un arrangement d'ailes avant et arrière. L'aile antérieure de l'Anchiornis était composée de 11 plumes primaires et de 10 plumes secondaires. Contrairement au Microraptor, les plumes primaires de l'Anchiornis étaient à peu près aussi longues que les secondaires et formaient une aile plus arrondie, avec des ailettes centrales courbes mais symétriques, une taille relative petite et mince, et des extrémités arrondies, ce qui indique une capacité aérodynamique moindre par rapport à sa parente plus tardive. Chez le Microraptor et l'Archéoptéryx, les plumes les plus longues de l'aile antérieure étaient les plus proches de l'extrémité de l'aile, ce qui donnait aux ailes l'apparence d'être longues, étroites et pointues. Cependant, chez l'Anchiornis, les plus longues plumes de l'aile étaient ancrées près du poignet, rendant l'aile plus large au milieu et s'effilant près de l'extrémité pour un profil plus arrondi, moins adapté au vol.
Les ailes postérieures de l'Anchiornis étaient également plus courtes que celles du Microraptor, et étaient composées de 12-13 plumes de vol ancrées au tibia (partie inférieure de la jambe) et de 10-11 au métatarse (partie supérieure du pied). Contrairement au Microraptor, les plumes de l'aile postérieure étaient plus longues et plus proches du corps, les plumes du pied étant courtes et dirigées vers le bas, presque perpendiculaires aux os du pied. Contrairement à tout autre dinosaure mésozoïque connu, les pieds de l'Anchiornis (à l'exception des griffes) étaient complètement recouverts de plumes (beaucoup plus courtes que celles qui composent l'aile postérieure).
Deux types de plumes plus simples et duveteuses (plumées) recouvraient le reste du corps, comme chez le Sinornithosaurus. De longues plumes duveteuses couvraient presque toute la tête et le cou, le torse, le haut des jambes et la première moitié de la queue. Le reste de la queue portait des plumes de queue pennacées (rectrices).
Couleur
En 2010, une équipe a examiné de nombreux points parmi les plumes d'un spécimen d'Anchiornis extrêmement bien conservé afin d'étudier la répartition des mélanosomes, les cellules pigmentaires qui donnent aux plumes leur couleur. En étudiant les mélanosomes et en les comparant avec ceux des oiseaux modernes, les scientifiques ont pu cartographier les couleurs et les motifs présents sur Anchiornis lorsqu'il était vivant. Bien que cette technique ait été utilisée auparavant, Anchiornis est devenu le premier dinosaure du Mésozoïque pour lequel la coloration de la vie était connue dans sa quasi-totalité.
La plupart des plumes du corps d'Anchiornis étaient grises et noires. La couronne des plumes de tête était principalement rougeâtre avec une base et un front gris, et le visage présentait des mouchetures rudes parmi les plumes de tête principalement noires. Les plumes des ailes antérieures et postérieures étaient blanches avec des pointes noires. Les coverts (plumes plus courtes recouvrant la base des longues plumes des ailes) étaient gris, contrastant avec les ailes principales principalement blanches. Les grandes couvertures des ailes étaient également blanches avec des extrémités grises ou noires, formant des rangées de points plus foncés le long de l'aile médiane. Celles-ci prenaient la forme de bandes sombres ou même de rangées de points sur l'aile externe (couvertures de plumes primaires) mais d'un ensemble plus irrégulier de mouchetures sur l'aile interne (couvertures secondaires). Les tiges des pattes étaient grises, à l'exception des longues plumes de l'aile postérieure, et les pieds et les orteils étaient noirs.
Comme beaucoup d'oiseaux modernes, l'Anchiornis présentait un schéma complexe de coloration avec différentes couleurs en motifs mouchetés sur le corps et les ailes, ou "coloration du plumage à l'intérieur et entre les plumes". Chez les oiseaux modernes, ces motifs de couleur sont utilisés pour communiquer et afficher, soit des membres d'une même espèce (par exemple pour l'accouplement ou l'affichage de menaces territoriales), soit pour menacer et mettre en garde contre les espèces concurrentes ou prédatrices.
