Charakterystyka thumb|left|Sikora karolińska siedząca na gałęzi Morfologia Ptaki dorosłe mają 11,5–13 cm długości oraz masę ciała wahającą się w granicach 9–12 g. Posiadają czarną czapeczkę i śliniaczek z białymi bokami sięgającymi dzioba. Dolne części ciała są białe z rdzawobrązowymi piórami po bokach. Grzbiet jest ubarwiony na szaro. Ich dzioby są czarne i krótkie, skrzydła niewielkie, a ogon średniej długości.
Rozróżnianie Są bardzo podobne do sikory jasnoskrzydłej, od której można je rozróżnić po nieznacznie bardziej brązowych skrzydłach z większymi brązowymi piórkami (brak białawej otoczki). Biała obwódka na lotkach drugorzędowych jest trochę mniej widoczna. Ogon jest również nieco krótszy i bardziej kwadratowo zakończony.
Różnice w odgłosach i melodiach tych sikor może rozróżnić jedynie doświadczony obserwator: sikora karolińska wydaje szybciej „czik-a-dii” (od tego najpowszechniejszego zawołania wzięła się angielska nazwa sikor) i ma ono wyższy ton niż w przypadku sikory jasnoskrzydłej. Sikora karolińska w swej pieśni wydaje 4 tony „fii- bii- fii – bej”, podczas gdy sikora jasnoskrzydła nie wykonuje wyższych tonów.