球状の頭部と胴体、短い手足をもっている。実物のネコの体毛によくあるように、体と顔面・腹部でツートンに色分けされていて、
体は青色で顔面と腹部は白色になっている。鼻としっぽの先は赤色である。はじめに造られたときは耳がついており、
体には黄色いメッキで塗装されていた（原作では製造当初から青色[17]）。だが工作用ネズミロボットに耳を齧られたのち、
ひみつ道具「悲劇の素」を誤って飲み号泣した振動でメッキが剥げ、ガラガラ声になってしまった[18]（初期設定ではネズミに耳を齧られた姿を鏡で見て青ざめたため、
前述の3日3晩泣き続けたため、他にも耳が無くなった悲しみで砂浜を走ったため、などがある[19]）。
連載初期はやや胴が頭より大きく雪だるまのようなずんぐりした体型で、しっぽの先が青く、体は現在より淡い青色で光沢も見られた。また、
手足は長い間肌色一色で、初期のグッズでは手足が肌色に塗られたおもちゃも存在した。
全身には「極微反重力特殊コーティング」が施されており、ゴミや泥は軽くふき取るだけできれいになる[10]。
「タヌキ」呼ばわりされると激怒する[20]（後述参照）。最初期には滑空能力があったようで、タケコプターが無いのにも関わらず空を飛んでいた。
体は頑丈で、ひみつ道具を使わなくとも高水圧の深海や真空の宇宙空間、さらには火星のような過酷な環境の場所でもそのまま活動可能[21]。
無重力空間でも体を浮かばせることなく、地球と同じようにその場に立って留まったり移動することも出来る[22]。
酸（のような液体）にも溶けない[23]。衝撃にも強く、ガス爆発の中心にいたとしても体は原型を留めていた[24]。その一方で、
普通に殴られたりしてタンコブや目の周りの青痣ができたりと傷を負う描写も多々あったりする。
寒さには極端に弱く、風邪をひくこともある[25]。だが『クイズは地球をめぐる』では、
北極点へ移動したにもかかわらず全く寒がっていなかった（のび太は震えていた）こともあり、
のび太が非常に寒がっている中で全く寒がらず、さらに吹雪の中でも寒がるどころか震えることすらしなかったこともある[26]。暑さにも若干弱く、
暑がることもある[27]が、太陽の至近距離まで近づいても本人には全く影響が無かった（暑がっていなかった）こともある[28]。
それだけでなく、雲の上から宇宙までの過酷な環境を平気で走り抜けた[29]ことや、
人間なら火傷するような高温状態の物を平然と持ちながら素手で焼け焦げるのを防いだこともある[30]。
また、蚊に刺されることもある。本人によると、高級なロボットだからとのこと[31]。ただし、
機械ゆえに電気には弱く、雷や電撃で故障することが多い[32]。
体内に流れているオイルはドラミにも使用されたものと同じ容器に入っていたため、
彼女とは兄妹関係にある[33]。だが、2人に入れたオイルは長期間保存されていたため、
使用時には良質な成分が沈殿していた。そのため、上半分の濃度の薄いオイルを使って作られたドラえもんよりも、
下半分の濃い良質なオイルを使って作られたドラミの方が性能がよいとされている[19]。
身長について、のび太を見下ろさない高さとして1969年当時の小学4年生女子の平均身長
（小学4年生男女混合の平均身長）である129.3センチメートルに設定したという。ただし連載が進むにつれ、
のび太より若干低く描かれるようになった。なお、アニメではドラえもんの身長は1メートル程度になるよう作画されている。
体重は129.3キロとのことだが、のび太の頭に乗ったり[34]、のび太がドラえもんを抱き上げたり、
のび太とシーソーに乗ったり[35]のび太と対等に取っ組み合いの喧嘩をするような描写もある[36]。
またジャイアンに一方的に殴られることが多いが、ドラえもんが一方的に殴り倒したこともある。
ドラミと違ってドラえもんに眉毛はない。野比家に居候を始めてから、家族同様の扱いを受けている。
映画『のび太とロボット王国』のラストシーンでは、玉子が「ドラちゃんも私の子供よ」と発言している[37]。
反応速度は非常に速く[38]、まれに瞬時にひみつ道具を取り出し使用することもある[39]。また運動神経も良く、
基本的にどんなスポーツもこなしている[40]。ただし鉄棒は苦手[41]。また、
刀（を模した武器）を持つ敵と剣術で激しく戦い合ったこともある[42]。
連載最初期はロボットとしてはあまりできがよくないという設定が前面に出されていて、
かなり間が抜けた性格でのび太顔負けのひどいドジを踏むことが多かった。扉ページや雑誌の予告のキャッチコピーでは、
「できそこないのロボット・ドラえもんが大あばれ。」といったように、
「できそこない」と強調されることがたびたびあった。「イヌとネコのできそこないのロボット」など