Anchiornis este un mic dinozaur troodontid timpuriu, cu un craniu triunghiular, la fel ca al altor troodontide. De asemenea, Anchiornis avea picioare lungi, ceea ce indică de obicei un alergător puternic. Cu toate acestea, penele extinse de la picioare indică faptul că picioarele lungi ar putea fi o trăsătură vestigială, deoarece animalele care aleargă au tendința de a avea păr sau pene reduse, nu crescute, pe picioare. Membrele anterioare ale lui Anchiornis erau, de asemenea, foarte lungi, neobișnuite în rândul troodontidelor (care tind să aibă brațe scurte), dar similare cu cele ale dromaeosauridelor și ale păsărilor timpurii, subliniind poziția sa bazală ("primitivă") în rândul dinozaurilor.
Pene
În timp ce primul specimen de Anchiornis, descoperit în anii 2000, a păstrat doar urme slabe de pene în jurul porțiunii conservate a corpului, cel de-al doilea specimen, bine conservat, a prezentat o conservare aproape completă a penelor, permițând cercetătorilor să identifice structura penelor și modul în care acestea erau distribuite.
Ca și alte păsări timpurii, precum Microraptor, Anchiornis avea aripi mari, alcătuite din pene de zbor atașate de braț și de mână (ca la păsările moderne), precum și pene de zbor pe picioarele din spate, formând un aranjament de aripi anterioare și posterioare. Aripa anterioară a lui Anchiornis era compusă din 11 pene primare și 10 pene secundare. Spre deosebire de Microraptor, penele primare de la Anchiornis erau aproximativ la fel de lungi ca cele secundare și formau o aripă mai rotunjită, cu palete centrale curbate, dar simetrice, o dimensiune relativă mică și subțire și vârfuri rotunjite, toate acestea indicând o capacitate aerodinamică mai slabă în comparație cu ruda sa ulterioară. La Microraptor și Archaeopteryx, cele mai lungi pene ale aripii anterioare erau cele mai apropiate de vârful aripii, ceea ce făcea ca aripile să pară lungi, înguste și ascuțite. Cu toate acestea, la Anchiornis, cele mai lungi pene ale aripilor erau ancorate lângă încheietura mâinii, ceea ce făcea ca aripa să fie mai lată la mijloc și să se îngusteze în apropierea vârfului pentru un profil mai rotunjit și mai puțin adaptat la zbor.
Aripile posterioare ale lui Anchiornis erau, de asemenea, mai scurte decât cele ale lui Microraptor și erau alcătuite din 12-13 pene de zbor ancorate de tibie (partea inferioară a piciorului) și 10-11 de metatarsus (partea superioară a piciorului). De asemenea, spre deosebire de Microraptor, penele aripilor posterioare erau mai lungi și mai apropiate de corp, iar penele picioarelor erau scurte și îndreptate în jos, aproape perpendicular pe oasele picioarelor. Spre deosebire de orice alt dinozaur mezozoic cunoscut, picioarele lui Anchiornis (cu excepția ghearelor) erau complet acoperite de pene (mult mai scurte decât cele care alcătuiesc aripa posterioară).
Două tipuri de pene mai simple, pufoase (plumacee) acopereau restul corpului, ca la Sinornithosaurus. Pene lungi și pufoase acopereau aproape tot capul și gâtul, trunchiul, partea superioară a picioarelor și prima jumătate a cozii. Restul cozii purta pene de coadă pennacee (rectrice).
Culoare
În 2010, o echipă a examinat numeroase puncte din penele unui specimen Anchiornis extrem de bine conservat pentru a studia distribuția melanosomilor, celulele pigmentare care dau culoarea penelor. Studiind melanosomii și comparându-i cu cei de la păsările moderne, oamenii de știință au reușit să cartografieze culorile și modelele prezente pe Anchiornis în timpul vieții acestuia. Deși această tehnică mai fusese folosită înainte, Anchiornis a devenit primul dinozaur mezozoic pentru care se cunoaște aproape întreaga coloristică din timpul vieții.
Majoritatea penelor corpului lui Anchiornis erau gri și negre. Coroana de pene de pe cap era în principal roșiatică, cu baza și partea din față gri, iar fața avea pete rufate printre penele de pe cap predominant negre. Penele aripilor anterioare și posterioare erau albe cu vârfuri negre. Învelișurile (pene mai scurte care acoperă baza penelor aripilor lungi) erau gri, contrastând cu aripile principale, în principal albe. Învelișurile mai mari ale aripilor erau, de asemenea, albe cu vârfuri gri sau negre, formând rânduri de puncte mai întunecate de-a lungul aripii mijlocii. Acestea au luat forma unor dungi întunecate sau a unor rânduri egale de puncte pe aripa exterioară (învelișurile primare ale penelor), dar o serie mai neuniformă de pete pe aripa interioară (învelișurile secundare). Membrele picioarelor erau gri, cu excepția penelor lungi ale aripilor posterioare, iar picioarele și degetele erau negre.
La fel ca multe păsări moderne, Anchiornis prezenta un model complex de colorare, cu diferite culori în modele petelate pe corp și aripi, sau "colorarea penajului în interiorul și între pene". La păsările moderne, aceste modele de culori sunt folosite pentru comunicare și afișare, fie pentru membrii aceleiași specii (de exemplu, pentru împerechere sau pentru a arăta amenințarea teritorială), fie pentru a amenința și a avertiza speciile concurente sau prădătoare.
