Кальмар-вампир может вырастать до 30 см (1 фут) в длину. Он не представляет угрозы для человека. Его студенистое тело размером 15 см (6 дюймов) варьируется по цвету между бархатистым реактивным черным и бледно-красноватым, в зависимости от места обитания и условий освещения. Кожная паутина соединяет восемь рук, каждая из которых покрыта рядами мясистых шипов, или цирри. Внутренняя сторона этого "плаща" черная. Только дистальная половина (самая дальняя от тела) рук имеет присоски. Его прозрачные, шаровидные глаза, которые кажутся красными или синими, также в зависимости от освещения, пропорционально самые большие в животном мире - 2,5 см (1 дюйм) в диаметре.
Взрослые особи имеют пару ухоподобных плавников. Эти плавники выделяются на боковых сторонах мантии. Они служат основным средством передвижения (перемещения) взрослых особей: Считается, что кальмары-вампиры "летают" по воде, хлопая плавниками. Их мощные клювовидные челюсти белы как слоновая кость. Внутри паутины находятся два мешочка. В этих мешочках спрятаны тактильные велярные нити. Нити аналогичны щупальцам настоящего кальмара, они простираются далеко за пределы рук, однако это другая пара рук, чем щупальца кальмара. Вместо этого филаменты представляют собой ту же пару, которая была утрачена предковыми осьминогами.
Кальмар-вампир полностью покрыт органами, вырабатывающими свет, которые называются фотофорами. Животное имеет большой контроль над этими органами. Оно способно производить дезориентирующие вспышки света продолжительностью от долей секунды до нескольких минут. Интенсивность и размер фотофоров также можно варьировать. Выглядящие как маленькие белые диски, фотофоры крупнее и сложнее на кончиках рук и у основания двух плавников. Они отсутствуют на нижней стороне покрытых шапочкой рук. Два больших белых участка на вершине головы первоначально тоже считались фотофорами, но оказалось, что это фоторецепторы.
Хроматофоры (пигментные органы), характерные для большинства головоногих моллюсков, у кальмара-вампира развиты слабо. Хотя это означает, что животное не способно менять цвет кожи так, как это делают головоногие, обитающие на мелководье, на той глубине, где оно живет, такая хитрость не нужна.