Le Mérinos de Rambouillet a une tête fine et courbe. Son nez est surmonté de plusieurs plis et ses oreilles sont courtes et horizontales. Le corps est trapu, avec des membres forts et des gigots assez épais. Sa laine blanche est abondante, fine, élastique et résistante. La toison, qui pèse jusqu'à 8 kg chez les béliers, recouvre tout le corps à l'exception des extrémités de la tête et des membres. Les mâles ont de grandes cornes spiralées à section triangulaire alors que les femelles en sont dépourvues.
Les béliers mesurent 70 à 75 cm au garrot pour 70 à 90 kg, tandis que les brebis mesurent entre 60 et 65 cm pour un poids variant entre 45 et 60 kg.