thumb|Rekonstruisani kostur neandertalaca, Američki prirodnjački muzej (American Museum of Natural History) Anatomija neandertalaca razlikovala se od modernih ljudi po tome što su imali više robusniju građu i karakteristične morfološke osobine, posebno na lobanji, koja je postepeno akumulirala više izvedenih struktura, posebno u određenim izoliranim geografskim regijama.
Anatomski dokazi sugeriraju da su bili mnogo jači od modernih ljudi, dok su bili nešto niži od prosječnog čovjeka, što je procijenjeno na osnovu 45 dugih kostiju od najviše 14 mužjaka i 7 ženki. Procjene visine korištenjem različitih metoda dale su prosjek u raspon od 164 – 168 cm za muškarce i 152 – 156 cm za žene. . Uzorci 26 uzoraka u 2010. godini pronašli su prosječnu težinu od 78 – 83 kg za muškarce i 63 – 66 kg za žene. .
Genetička studija iz 2007. godine sugerirala je da su neki neandertalci možda imali crvenu kosu.
Razlikovanje fizičkih osobina thumb|upright=1|Poređenje lica ranoevropske vrste Homo sapiens (lijevo) i Homo neanderthalensis (desno), na osnovu forenzičkih rekonstrukcija lica izloženih u Muzej neandertalaca (Neanderthal Museum thumb|Ashley Montagu tvrdila je da ljudi imaju neoteniziraniju lobanju od neandertalaca. thumb|Anatomija kranijuma neanderttalca thumb|Neandertalčevi otisci stopala u Prirodnjačkom muzeju u Pragu
Stepen autapomorfnih osobina u uzorcima razlikuje se u vremenu. U najnovijim uzorcima autapomorfija nije jasna.
Slijedi popis fizičkih osobina koje razlikuju neandertalce od modernih ljudi. Međutim, ne razlikuju sve određene populacije neandertalaca iz različitih geografskih područja, evolucijskih perioda ili drugih izumrlih ljudi. Također, mnoge od ovih osobina prisutne su u modernih ljudi u različitoj mjeri, kako zbog arhajskih primjesa, tako i zbog zadržavanja predačkih hominidnih osobina dijeljenih s neandertalcima i drugim arhajskim ljudima. Ništa nije sigurno (od iskopanih kostiju) o obliku mehkih dijelova poput očiju, ušiju i usana neandertalaca.
Iako struktura glave i lica nije bila daleko od strukture modernih ljudi, ipak su postojale prilično primjetne razlike. Glava neandertalca je mnogo duža, s izraženijim prednjim dijelom lica. Neandertalska brada i čelo zatureni su unazad, a područje nosa stršilo je naprijed više nego kod modernih ljudi. Uobičajeni oblici nosa nisu poznati, ali općenito je vjerovatno bio robusniji, a možda i nešto veći, nego u modernih ljudi. Prostor mozga u lobanje, a tako i najvjerojatnije sam mozak, bio je veći nego u modernih ljudi.
Kada se uspoređuju osobine sa svjetskim prosjekom današnjih ljudskih osobina u neandertalskim uzorcima, razlikuju se u sljedećim osobinama. Veličinski pokazatelji određene osobine mijenjaju se s vremenskom rokom od 300.000 godina. Veliki broj klasičnih neandertalskih osobina značajan je jer neki primjeri paleolita, pa čak i moderne vrste Homo sapiens ponekad mogu ispoljavati jednu ili čak nekoliko ovih osobina, ali ne većinu ili sve istodobno.
U oktobru 2018. naučnici su po prvi put najavili 3D virtualnu rekonstrukciju rebara, neandertalaca, što bi moglo pomoći istraživačima da bolje shvate kako ova drevna ljudska vrsta kretala i disala.
U februaru 2019. naučnici su izvijestili o dokazima da su neandertalci hodali uspravno, slično kao i moderni ljudi.
Kranij Koso čelo Nadinionska jama, žlijeb iznad iniona Potiljačni greben, izbočina potiljačne kosti, koja izgleda poput čvora za kosu Projektiranje srednjeg lica (srdnjesagitalne regije i prognatizam); Projektirajuće vilice (gornjrvilični i donjrvilični prognatizam); Manje izražena neoteniziranost lobanja od većine modernih ljudi; Niska, izdužena lobanja sa ravnim lambdoidnim djelom; Široki lobanjski svod s t morfologijjemenskom "en bombe"; Ravno lobanjsko dno; Nadočni grebenovi, istaknuti, trabekulski (spužvasti) čeoni greben; Zapremina lobanje od 1500 – 1740 cm3(savremeni čovek: 1425 cm3); Nedostatak isturene brade (mentalna izbočina; iako kasniji uzorci imaju malu izbočinu); Vrh na mastoidnom nastavku iza ušnog otvora; Nemaju žlijeb na očnjacima; Retromolarni prostor straga trećeg kutnjaka; Široki nos; Koštane izbočine na bočnim stranama nosnog otvora, izbočene nozdrve; Prepoznatljiv oblik kostiju labirinta u uhu; Veći donjevilični otvor za opskrbu lica krvlju; Subkranijski Znatno robusnija, jača izrada; Duge klavikule (međutim, neandertalne klavikule nisu relativno dugačke i proporcionalno su slične onima modernih ljudi; Široka ramena i karlica; Velike, široke lopatice; Širok grudni koš; Bačvasti ili zvonasti oblik rebrni koš i bez struka; Zakrivljeniji radijus sa radijusnim zglobom, smještenim medijalnije, sa dužim radijalnim vratom, jajolikom radijalnom glavom i dobro razvijenim međukostnim grebenom; Zakrivljeni udovi; Na ulna, trohleusni urez okrenut je prema naprijed, umetnuti mišić musculus brachialis je niži, srednja osovina je veća, više sinusna; Debeli zglobovi; Velike ruke i stopala; Veći okrugli vrhovi prstiju; Velike čahure; Debela, savijena osovina butne kosti, savijeni femur Kratke tibije; Kratka lisne kosti; Veliki kalcaneus; Dugačka, graciozna karlična stidna kost (gornja stidna grana);
Teorija prilagodbe na hladnoću Neki su smatrali su da su veliki neandertalski nosevi adaptacija na hladnoću, ali studije na primatima i arktičkim životinjama pokazale su smanjenje sinusa u područjima ekstremne hladnoće, a ne proširenje u skladu sa Allenovim pravilom. Todd C. Rae sažima objašnjenja o anatomiji neandertalaca, pokušavajući pronaći objašnjenja za "paradoks" da njihove osobine nisu adaptivne na hladnoću. Stoga zaključuje da je dizajn velikog i opsežnog neandertalskog nosa razvijen za vruću klimu na Bliskom istoku i ostao nepromijenjen kada su neandertalci stigli u Evropu. Međutim, neandertalci u Španiji datiraju od prije 700.000 godina, prije nego što su živjeli na Bliskom Istoku. Rae pretpostavlja da je neandertalcima, zbog povećane fizičke aktivnosti i velike količine mišićne mase, bio potreban povećan unos kisika.
Levantinski neandertalci imali su fenotipove znatno sličnije modernim ljudima od evropskih neandertalaca (klasični neandertalci). To je možda zbog protoka gena iz ranih modernih ljudi u levantinskom koridoru ili činjenice da je evropski neandertalski fenotip specijalizirana klimatska prilagodba.
Patologija U okviru grupe zapadnoazijskih i evropskoih fosilnioh zapisa postoji pet širokih grupa patološki stanja ili ozljeda zabilježenih na neandertalskim kosturima.
Prijelomi Prema dosadašn jim nalazima, uočeno je da su neandertalci preživjeli visoku frekvenciju fraktura, posebno česte na rebrima (Shanidar IV, La Chapelle-aux-Saints 1 'Starac'), butnoj kosti (La Ferrassie 1 ), fibule (La Ferrassie 2 i Tabun 1), kičma (Kebara 2) i lubanja (Shanidar I, Krapina, Sala 1). Ovi prijelomi su često zacijeljeni i pokazuju malo ili nimalo znakova infekcije, što sugerira da su povrijeđene osobe zbrinjavane za vrijeme onesposobljavanja. Primijećeno je da su neandertalci imali učestalost takvih povreda usporedivu sa onim kod modernih rodeo profesionalaca, koji često imaju kontakt sa velikim, borbenim sisarima. Obrazac prijeloma, zajedno s odsustvom bacanja oružja, sugerira da su možda lovili skačući na svoj plijen probadajući ga ili čak hrvajući se do obaranja na tlo.
Traume Za prijelome su posebno povezani slučajevi trauma, koje su uočene na mnogim kosturima neandertalaca. Obično imaju oblik uboda nožem, kao što se vidi u Shanidar III, čija su pluća vjerovatno probušena ubodnom ranom u prsa između osmog i devetog rebra. Ovo je možda bio namjerni napad ili puka nesreća u lovu. U svakom slučaju, muškarac je preživio nekoliko sedmica nakon ozljede, a prije toga je ubijen padom kamena u Shanidarskoj pećini. Ostali znakovi traume uključuju udarce u glavu (Shanidar I i IV, Krapina), koji su izgleda zarastali, iako su na površini lobanja vidljivi tragovi rana na vlasištu.
Degenerativna bolest Artritis je bio čest u starijoj neandertalskoj populaciji, posebno ciljajući područja zglobova kao što su gležanj (Shanidar III), kičma i kukovi (Starac iz La Chapelle-aux-Saintsa), ruke (La Quina 5, Krapina, Feldhofer) koljena, prsti na rukama i nogama. To je usko povezano sa degenerativnom bolešću zglobova, koja može varirati od normalne degeneracije, povezane sa stepenom upotrebe, do bolnih, oslabljujućih ograničenja kretanja i deformacija, a u različitom se stepenu viđa u Shanidarskim kosturima (I – IV).
Razvojnil stres thumb|Neandertalsko dijete Dva nespecifična pokazatelja stresa tokom razvoja nalaze se u zubima, koji bilježe stresove, poput perioda nestašice hrane ili bolesti, remeteći normalan rast zuba. Jedan od pokazatelja je hipoplazija cakline, koja se pojavljuje u vidu jamica, žljebova ili linija u tvrdom caklinskom pokrivaču zuba. Drugi pokazatelj, fluktuirajuća asimetrija, manifestira se slučajnim odstupanjima od simetrije u uparenim biološkim strukturama (poput desnog i lijevog zuba). Zubi ne povećavaju veličini nakon što se formiraju, niti stvaraju novu caklinu, pa hipoplazija cakline i fluktuirajuća asimetrija ostavljaju trajni zapis razvojnih stresova koji se javljaju u djetinjstvu i dječaštvu. Studija na 669 neandertalskih krunica pokazala je da je 75% jedinki patilo od određenog stepena hipoplazije. Dvije studije, uporedile je neandertalce sa nalazima Tigare, obalnim lovom na kitove iz Point Hopea, Aljaska, pronašavši uporedive nivoe linearne hipoplazije cakline (specifični oblik hipoplazije) i više nivoe fluktuirajuće asimetrije u neandertalaca. Procijenjeno trajanje epizode stresa iz neandertalskih linearnih gleđnih hioplazija sugeriraju da su neandertalci iskusili stres koji traje od dvije sedmice do tri mjeseca.
Infekcija Dokazi o infekcijama na neandertalskim kosturima obično su vidljivi u obliku lezija na kostima, koje nastaju sistemskom infekcijom na njima najbližim područjima. Nalaz Shanidar ima dokaze o degenerativnim lezijama kao i La Ferrassie 1, čije lezije na bedrima, golenicama i fibulama ukazuju na sistemsku infekciju ili karcinom (maligni tumor / rak).
Djetinjstvo Djeca neandertalca možda su rasla brže od moderne ljudske djece. Moderni ljudi imaju najsporiji tjelesni rast od bilo kog sisara tokom detinjstva (period između novorođenčeta i puberteta), a nedostatak rasta u tom periodu nadoknađen je kasnije adolescentnim skokom rasta. Mogućnost da je rast u djetinjstvu neandertalaca bio drugačiji prvi su put pojavili 1928. godine kad su bageri iskopali musterjensko kameno oruđe i neandertalskog maloljetnika. Arthur Keith je 1931. zapisao: "Očigledno su neandertalska djeca dostizala zrelost u ranijoj dobi od moderne djece." O stopi sazrijevanja tijela može se zaključiti upoređivanjem zrelosti fosilnih ostataka maloljetnika i procijenjene starosti pri smrti.
Dob u kojoj se maloljetnici mogu posredno zaključiti iz njihovoe morfologije, razvoja i nicanja zuba. Oboje argumentirano podržava i pitanje postojanja razlike u sazrijevanju između neandertalaca i modernih ljudi. Od 2007. godine starost zuba može se direktno izračunati pomoću neinvazivnog snimanja obrazaca rasta u caklini zuba pomoću rendgenske sinhrotrone mikrotomografije.
Ovo istraživanje podržava pojavu mnogo bržeg fizičkog razvoja kod neandertalske nego kod moderne ljudske djece. Istraživanje rendgenske sinhrotronske mikrotomografije rane podvrste H. sapiens sapiens tvrdi da je ta razlika postojala između ove dvije vrste još prije 160.000 godina.