Le saïmiri a une fourrure grise à vert olive avec des teintes noires et dorées. Sa petite tête ronde caractéristique présente un masque oculaire blanc et un museau noir. C’est pour cette raison que les Allemands le surnomment le « petit singe à tête de mort ». La longue queue verdâtre est noire sur sa moitié terminale et plus touffue à son extrémité : elle est préhensile chez les petits mais ne l’est plus à l’âge adulte. Le mâle diffère peu de la femelle sauf au niveau des dents, le mâle ayant des canines supérieures longues, effilées et sillonnées, séparées par un large diastème alors que celles des femelles sont plus courtes et séparées par un diastème étroit (le dimorphisme sexuel affecte aussi les canines inférieures et les prémolaires inférieures). Svelte et gracile, actif et curieux, agile et malin, le saïmiri possède le plus gros cerveau pour un être vivant, proportionnellement à sa taille, et sa boîte crânienne est allongée (dolichocéphalie). À la naissance, du fait d’une période de gestation étendue, le petit pèse 17 % de son poids adulte et son développement cérébral est déjà bien avancé. Sa caractéristique de poids du cerveau / poids total en a fait un sujet d'expérience pour la conquête spatiale dans les années 1950.

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