Небольшая короткохвостая и большеголовая сова размером крупнее дрозда. Общий тон окраски спины буровато-серый со светлыми крапинами, низ светлый с размытыми темными каплевидными пестринами. Нижние кроющие крыла светлые, на второстепенных маховых снизу 3 достаточно широких темных полосы. Лапы густо оперены. Перьевых ушек нет, но над глазами имеются перьевые выступы, похожие на вздернутые черные брови. Внутренняя часть лицевого диска белая, с черной каймой по краю, особенно нижнему. Между глаз крупные белые перьевые валики в виде полумесяцев. Глаза желтые.

Самки крупнее самцов, но окрашены также.

Вес самцов - 0,09-0,13 кг, самок - 0,10-0,20 кг, длина 24-26 см, крыло самцов - 16,2-17,8 см, самок - 16,7-18,8 см, размах - 52-58 см.

Молодые после вылета из гнезда отличаются от взрослых коричневой или бурой без пестрин окраской головы и туловища. Элементы птенцовой окраски сохраняются до октября. Зимой молодые от взрослых отличаются более коричневым оттенком оперения, более крупными темными пестринами на нижней стороне тела и более мелкими светлыми на верхней, одинаковой изношенностью маховых и рулевых.

Птенцы в первом пуховом наряде - белые, во втором - темно-бурые, с однотонным брюхом и слабой рябью на спине. Лицевой диск темно-бурый, однотонный с брюхом или чуть темнее, обрамлен черной полосой, более яркой и широкой под клювом и над глазами (вздернутые брови). Между глаз крупные валики белого цвета в виде полумесяцев, обращенных концами внутрь лицевого диска.

От близкого по размерам и окраски домового сыча отличается округлым (не приплюснутым) лицевым диском, черным его обрамлением, более крупной относительно тела головой, перьевыми выступами, формой перьев на нижней части брюха и оперенными пальцами, от воробьиного сычика (Glaucidium passerinum) - более крупными размерами, формой пестрин на нижней части тела, формой головы, перьевыми выступами, окраской лицевого диска (белыми полями вокруг глаз, белыми валиками и черным обрамлением лицевого диска), от сплюшки (Otus scops) - крупными размерами, окраской лицевого диска, характером пестрин на теле, перьевыми выступами, вместо "ушек", от серой неясыти - мелкими размерами, желтыми глазами, формой головы, черным обрамлением лицевого диска и перьевыми выступами.

Птенцы в мезоптиле от других отличаются однотонной темно-бурой окраской низа и "лица", большой головой с перьевыми выступами, черным обрамлением лицевого диска.

Токовая трель самца состоит из следующих друг за другом слогов "уп-уп-уп-уп", похожих на крик удода (Upupa epops). В отличие от удода, крик мохноногого сыча состоит из 4-10 слогов и, как правило, длиннее, к тому же его приходится слышать не днем, а ночью и, большей частью, в лесах таежного типа. У разных самцов темп, высота тона и длина трели могут заметно различаться. Возбужденные самки в период тока часто ворчат (глухой вибрирующий звук "ва-ва-ва"). Крик беспокойства - резкий отрывистый свистящий крик "киип". Слетки издают короткий сиплый свист "псии".

Наиболее типичными местообитаниями сычей являются высокоствольные смешанные леса с преобладанием или присутствием хвойных близ небольших открытых пространств, как правило, по долинам рек. В лесостепи встречается только по крупным лесным массивам, в большинстве случаев в борах.

Для гнездования использует дупла, преимущественно выдолбленные желной (Dryocopus martius), реже естественные пустоты. Западнее Волги иногда селится в дуплах, выдолбленных зеленым дятлом (Picus viridus).

В горных районах в порядке исключения известны гнезда в нишах скал.

Может гнездиться в искусственных дуплянках, гоголятниках и скворечниках с крупным летком.

Яйца откладывает прямо на подстилающую поверхность гнезда.

В кладке 4-6, редко до 10 яиц укороченно-эллипсовидной формы. Яйца белые, размером 28,2-37,3х24,2-29,1 мм, в среднем 31,88х26,42 мм.

Самка на кладке сидит очень плотно, поэтому при ударах по дереву птица вылетает из дупла не всегда. Лучше имитировать залезание на дерево куницы, шебарша по коре веточкой (это более действенно при выпугивании птиц из дупла). В искусственных гнездовьях некоторых самок приходится отодвигать рукой, чтобы посмотреть кладку, при этом они шипят и щелкают клювом, но не вылетают. При птенцах взрослые птицы ведут себя более агрессивно. Вылетев из дупла имитируют атаку, некоторые ударяют когтями в голову.

В плотных гнездовых группировках расстояние между гнездами разных пар составляет 0,1-3 км, обычно 0,5-1 км, в менее насыщенных местообитаниях - 3-6 км, обычно около 4 км.

Довольно скрытный вид, оставляющий крайне мало признаков своего пребывания.

Погадки похожи на таковые домового сыча: размером 2,0-3,0х1,3-2,0 см, яйцевидной, округлой, комкообразной или цилиндрической формы, что бывает реже. Состоят из остатков грызунов (1-2 жертвы на погадку); остатки ящериц и насекомых, в отличие от домового сыча в погадках мохноногого встречаются крайне редко и всегда как побочные составляющие. Погадки можно обнаружить под деревьями по периферии опушки леса, или в глубине леса под гнездовыми деревьями или присадами близ них, в отличие от таковых домового сыча, оставляющего погадки под присадами среди открытого пространства или под строениями человека.

Крайне редко в лесу встречаются следы сычей, оставляемые ими во время охоты на мелких млекопитающих в зимний период. Четкие отпечатки лап остаются на первом снегу или тонком слое снега, покрывающем наст. Размер отпечатка лапы: 4,5-5,0х2,5-3,0 см, длина пальцев - 2,0-2,5 см. В отличие от домового сыча сильно опушенные пальцы мохноногого оставляют более широкие отпечатки с заметной бахромой. Отпечатки правильной К-образной формы, характерной для лесных сов.

Более часто встречаются следы охоты, имеющие вид лунок, выдавленных в снегу телом в момент броска, с отпечатками крыльев по краям. Размах крыльев на отпечатках не превышает 40-50 см.

Учет мохноногих сычей с небольшой вероятностью пропуска птиц можно проводить на маршрутах и точках в период тока.

Самые лучшие результаты дает метод выявления путем имитации токовых сигналов или воспроизведения их фонограмм в период весеннего и осеннего тока в ночные часы. В середине лета сычи реагируют на воспроизведение токовых сигналов филина или длиннохвостой неясыти, однако, эффективная полоса обнаружения в этот период гораздо меньше. Этим способом их можно вынуждать на ответную реакцию и днем, однако, это менее результативно, чем в ночные часы.

В ходе дневных маршрутов оптимальным методом выявления является осмотр гнездопригодных биотопов на предмет выявления гнезд. В этом случае обследуются деревья, в которых весьма вероятно расположение дупел. При обнаружении дупел желны или аналогичных размеров естественных полостей требуется скрести по дереву или проигрывать фонограмму сигналов беспокойства вида. Следует учитывать, что многие самки плотно сидят на кладках, поэтому воспроизведение криков беспокойства должно быть достаточно продолжительным (не менее 5 минут). На него более быстро отреагирует самец, находящийся поблизости.

Сычи гнездятся в старых дуплах желны на ее участках, поэтому при регистрации желны с гнездовым поведением, следует более тщательно обследовать ее участок на предмет обнаружения старых дупел. В 70% случаев это дает положительный результат.