À l’exception des kiwis, tous les ratites sont de grands oiseaux, et par la taille l’émeu vient en deuxième position après l’autruche. Dans sa zone de répartition, le seul oiseau de taille comparable est le casoar à casque. Un émeu adulte a une taille de 1,50 à 1,90 m et pèse habituellement de 30 à 45 kg, parfois jusqu’à 55 kg ; les femelles étant en moyenne plus grandes et plus lourdes que les mâles.
L’émeu a un corps lourd et compact, des pattes puissantes adaptées à la course et des ailes rudimentaires. L’oiseau peut couvrir de grandes distances, à une vitesse constante de 7 km/h. Il est capable d’atteindre des vitesses de 50 km/h, avec des enjambées d’environ 2,70 m. Sa capacité à courir vite est due au développement important des muscles des pattes, à la longueur des jambes, au nombre de doigts (trois). C'est le seul oiseau à posséder des muscles gastrocnémiens et les spécialistes admettent qu'il possède dans ses pattes la puissance que les autres oiseaux ont dans leurs ailes.
Le plumage à double rachis - trait commun émeus-casoars - a une apparence extrêmement lâche, semblable à une chevelure qui pend sur les côtés du corps à partir d’une raie dorsale bien marquée. Les ailes très réduites sont cachées sous le plumage ; elles participent de façon importante à la régulation thermique en permettant à l’oiseau de se rafraîchir en les agitant.
Leur plumage, marron ou gris brun, est touffu. Les extrémités des plumes sont noires. Ceci permet d'absorber la plus grande partie de la chaleur ambiante sans qu'elle soit transmise aux couches sous-jacentes. Un duvet sur la peau retient encore une partie de la chaleur, ce qui permet à l'oiseau d'être actif même pendant les heures chaudes de la journée.
Lors des journées très chaudes, l'émeu halète pour réguler sa température. Ses poumons, recrachant de l'eau qui se vaporise, fonctionnent comme des évaporateurs de réfrigérateur et à la différence d'autres espèces animales, la diminution de la concentration en gaz carbonique dans le sang ne provoque pas de variation de pH et donc pas d'alcalose ventilatoire. Pour les journées froides, à l'inspiration, l'émeu fait circuler l'air par ses grandes narines munies de nombreux replis qui fonctionnent comme des radiateurs, ce qui lui permet de réchauffer l'air et d'avoir de l'air chaud qui arrive aux poumons. À l'expiration, l'air chaud qu'il rejette est saturé d'humidité. La vapeur d'eau se condense dans les narines en arrivant au contact de l'air froid, ce qui dégage de la chaleur qui sera récupérée dans les narines et réutilisée à l'inspiration suivante.