Чайка средних размеров с относительно длинными ногами и узкими длинными крыльями. От крупных белоголовых чаек отличается, кроме размеров, округлой (не угловатой) головой, относительно слабым клювом и отсутствием на нём красного пятна. Взрослая сизая чайка внешне похожа на моевку и достигает величины до 43 — 46 см с размахом крыльев до 120—130 см. Её масса составляет от 300 до 550—586 г. Оперение сизой чайки в летний брачный период имеет белый цвет, а верхняя сторона крыльев — серая. Кончики крыльев — чёрно-белые, клюв и ноги окрашены в жёлто-зелёный цвет. Радужина тёмная, темно-бурая, желто-бурая или светло-бурая, кольцо вокруг глаза оранжево-красное. К зиме на голове и шее появляются серые или бурые пятна или пестрины, как у серебристой чайки. У многих птиц они особенно многочисленны на шее. На клюве часто тёмное предвершинное пятно или узкая тёмная поперечная полоска. Самки и самцы внешне по оперению не отличаются, самки лишь незначительно меньше самцов в размере. Молодые птицы в гнездовом наряде серо-бурые с тёмным клювом. Молодняк обретает окраску оперения взрослой птицы в возрасте трёх лет. Продолжительность жизни сизой чайки может достигать 25 лет. Полет сизой чайки очень элегантный и тихий. Длинные крылья позволяют чайке парить в воздухе.
Защитные формы поведения, как у большинства других чаек: облёты с тревожными криками, пикирование и обливание помётом наземных хищников, других видов птиц и человека при приближении к гнезду; воздушных хищников атакуют в воздухе. Иногда применяют отвлекающие демонстрации.
Чайки различаются по внешнему виду, поэтому не всегда можно определить подвид чайки, который не находится в районе её гнездования. Кроме того, canus и heinei демонстрируют подвидовой переход в западной части России, а heinei и kamtschatschensis могут частично совпадать в северо-восточной Сибири. Следующие описания относятся к типичным особям их соответствующих подвидов:
Larus canus canus — номинативный подвид, относительно маленький и лёгкий — во взрослом возрасте птицы весят 290—480 граммов и имеют самое светлое верхнее оперение. Отличается самым слабым и тонким клювом среди всех подвидов, имеет тёмную или тёмно-бурую радужную оболочку глаза. Обитает в Европе, встречается на европейской части России. Зимует в Европе, Северной Африке и Персидском заливе.