白头硬尾鸭雄鸟在繁殖期头白色，头顶、枕黑色、上颈黑色，到下颈逐渐变为栗色。肩、背、腰沙灰色，具黑色虫蠹状斑。尾上覆羽栗色，尾黑色，且较硬；翅上覆羽灰褐色，翅下覆羽淡灰色，腋羽白色。胸栗色，沿两胁和下胸逐渐变淡，呈淡栗色；腹中央和尾下覆羽皮黄灰色。冬季雄鸟和夏季大致相似，但少棕栗色，颈和上体呈明显的灰皮黄色，具黑褐色虫蠹状斑，头顶黑褐色，耳羽上后方也有些黑色，后颈中央乌褐色，下颈微具淡黑褐色宽阔的环带，在前颈处转为皮黄色或淡红褐色，各羽均具黑色细狭横斑；腰暗褐色，微具黑色横斑，尾上覆羽皮黄色，胸及胸侧栗红褐色，略具暗褐色横斑，两胁皮黄色，具暗褐色虫蠹状斑。

雌鸟头部从额和眼以上头顶一直到后颈黑褐色，羽尖棕色，眼下有一白色纵纹从嘴基直到枕部，白色纵纹下又有一黑色纵纹。颊、喉和前颈皮黄白色，具暗色斑点；下颈和下体大部棕色，具暗色亚端斑。下体腹部中央和尾下覆羽皮黄白色，杂有暗色斑点。下背、腰和尾上覆羽灰褐色，具暗色横斑；翅和尾似雄鸟。雌鸟冬羽更暗和少棕色，头两侧更白，颊部暗斑更明显。

幼鸟和雌鸟冬羽相似，但头部颊斑更显著，头侧更白，上体较暗，下体更多皮黄色。

虹膜雄鸟黄色或橘黄色，雌鸟淡黄色，嘴雄鸟亮蓝色，嘴基部膨大；雌鸟嘴暗灰色，嘴基部膨大较雄鸟小；跗跖和趾雄鸟灰色，蹼黑色或红色．雌鸟跗跖和趾暗灰色。

大小量度：体重♂560-865克，♀539-900克；体长430-480毫米；嘴峰♂42-48毫米，♀43-45毫米；翅♂155-172毫米，♀150-167毫米；尾♂105-120毫米，♀75-95毫米；跗跖33-38毫米。（注：雄性♂；雌性♀）