Чёрная крыса в среднем меньше серой крысы. Взрослые особи имеют длину тела 15—22 см и массу 130—300 г. Хвост густо покрыт волосами; обычно он длиннее тела, до 28,8 см (133 % длины тела). Мордочка у неё уже, а ушные раковины больше и круглее, чем у пасюка. Для чёрных крыс Европы характерен естественный полиморфизм окраски меха; чаще всего встречаются два варианта окраски:
Чешуйчатый хвост равномерно окрашен сверху и снизу. Южные формы в целом крупнее и светлее северных. Череп хорошо отличается от черепа пасюка дугообразной изогнутостью теменных гребней. Кариотипических форм четыре (см. ниже), гибриды между ними обладают пониженной плодовитостью.
Чёрная крыса распространена космополитично: обитает в Европе, в большинстве стран Азии, Африке, Америке, Австралии. Распространение вне тропической и субтропической Азии и Средиземноморья, однако, не сплошное, а связано преимущественно с портовыми городами. Ключ к пониманию истории её расселения дало изучение кариотипа. Были выявлены 4 основных кариотипических формы чёрной крысы:
Считается, что азиатская форма, широко распространённая в Восточной и Юго-Восточной Азии, а также в Индии и Афганистане (изолированная популяция в 1982 году была найдена в Мексике), является исходной. От неё, путём слияний хромосомных пар произошли сначала цейлонская, затем океанийская формы. Первая из них сейчас обитает на острове Шри-Ланка; вторая с помощью человека расселилась практически по всему свету. Центром её происхождения считают Южную Индию. Маврикийская форма, обнаруженная на острове Маврикий, возникла от завезённых на остров океанийских чёрных крыс в результате разделения двух пар метацентрических хромосом.
Судя по ископаемым остаткам, этот (или близкий) вид крыс уже в плейстоцене обитал на Ближнем Востоке и в Средиземноморье. В отношении времени появления чёрных крыс в Европе нет единого мнения, однако они были уже достаточно известны в античный период. К началу XVII века стали обычным видом во многих странах Европы, включая центральные районы России. Чёрная крыса не смогла в полной мере освоить территории умеренной Азии и Северной Америки, так как здесь её теснила серая крыса. (В Австралии, напротив, климат оказался благоприятен для чёрной крысы и неблагоприятен для серой). Южные популяции Евразии, где чёрная крыса может круглогодично жить в природе (в том числе южный Крым, черноморское побережье Кавказа, Закавказье) считаются не результатом вторичного заселения, а плейстоценовым реликтом.