外貌特征方面，高原牦牛体躯较大，结构紧凑，躯长腿短。它们的皮肤松弛而厚实，但没有垂皮。背部平坦，腹部丰满而不下垂，身体窄且倾斜。头部沉重，额头宽阔，面部稍微凹陷。大多数高原牦牛有角，这些角向外上方伸展。它们的眼睛圆形而灵动，尾巴短且接着身体较低。前肢短而直立，后肢则呈刀状，骨骼坚实，蹄子小而坚固。公牛的体型较高且长，而母牛的体型则较矮且短，皮肤也较薄。这个牛种的毛色较多样，大约60%的牦牛全身为黑色，约30%的牦牛体为黑色，但头部或面部为白色，还有一些牦牛呈现灰色、褐色和白色。胸部、腹部、体侧和股侧都覆盖有长毛，牦牛的被毛柔软而浓密。这些浓密的被毛和发达的皮下结缔组织有助于它们在高寒低温的环境下生存。

在生产性能方面，新生牦牛的平均初始体重为公牛13.7千克，母牛12.8千克。母牛在产后两个月开始产奶，产奶高峰期通常在7月至8月这个牧草茂盛的季节。平均每天产牛奶量为1.03千克，酥油率在5.82%至7.49%之间。牦牛的肉质性能非常好。根据测定，在放牧饲养条件下，体型适中的成年阉牛体重平均为379.1千克，屠宰率为55%，净肉率为46.8%，眼肌面积为50.6厘米2。牦牛是唯一一种能产绒毛的牛类品种，每年的6至7月份可以剪毛一次。带犊或怀孕后期的母牛只会抓取牦牛的绒毛而不剪毛。公牛、母牛和阉牛的毛绒产量分别为1.76千克、0.45千克和1.70千克。牦牛的裙毛长度在20至43厘米之间，而肩毛的长度为10至30厘米之间。毛绒比例为1：(1-2)。

牦牛在产区呈季节性发情，主要发情期为7月至10月，其中7月底至9月初为发情旺季。发情期通常为17.8天，持续时间为16至56小时。公牛和母牛通常在3.5岁时进行首次配种。妊娠期平均为255天，一般在3月份开始产犊。牦牛的繁殖成活率为48.2%。牦牛的牙齿锋利且嘴唇和舌头灵活，适合采食低质量的草场。

为了提高牦牛的生产性能，一些研究机构进行了牦牛与野牛的杂交试验，取得了不错的效果。其他研究者提出了一种新的三元杂交方式，将荷斯坦牛和藏黄牛用于杂交。在高寒牧区，这些杂交牦牛展现出了良好的适应性。2.5岁时，公牛和母牛的平均体重分别为310.78千克和305.79千克，比同龄的牛种重126.48千克和149.92千克。杂交牦牛的母牛在2至3岁时可以初次配种，在3至4岁时可以挤奶。第一泌乳期的产奶量可达659.36千克，是同期母牛的2.65倍。