La Mésange bleue est une petite mésange qui tire son nom de la couleur bleue de sa calotte, de ses ailes et de sa queue. Sa tête est remarquable. La face, largement blanche, est barrée de trois traits bleu sombre à noirs, deux traits loraux qui passent par l'œil pour rejoindre la nuque de même couleur, et un large trait gulaire qui rejoint un collier, qui lui-même borde les joues blanches et rejoint la nuque. Le mâle adulte se distingue à la teinte bleue du plumage plus marquée, surtout à la calotte. Le bleu de la femelle est plus terne. Le manteau est jaune-vert. Un trait blanc se voit sur l'aile au niveau des grandes couvertures. Les parties inférieures sont jaune-citron, avec une esquisse de ligne médioventrale noirâtre sur le bas de la poitrine et le haut du ventre, rappelant un peu celle de sa cousine charbonnière, mais moins marquée. L'œil est sombre. Bec et pattes sont gris bleuté.
Le juvénile est plus terne que l'adulte. La calotte est grisâtre, le manteau moins vert. Une teinte jaune envahit le blanc de la tête. Les parties inférieures sont blanchâtres. Le plumage commencera à se colorer dès la mue post-juvénile.