Крупная сова светло-серой окраски с длинным клиновидным полосатым хвостом и широкими крыльями без темных пятен на сгибах. У сидящей птицы хвост выступает далеко за концы сложенных крыльев. Глаза большие черные. Клюв желтый. Лицевой диск серый, одноцветный, окаймленный узкой беловатой полоской. Между глазами валики, из белых перьев в виде вертикальных бровей в форме полумесяца, обращенных "рожками" от клюва внутрь лицевого диска. Перьевые "ушки" отсутствуют. На груди рисунок из продольных темных пестрин по белому или серовато-белому фону, более густых на груди и редких на брюхе. Рулевые и второстепенные маховые с округлыми вершинами.

Самки крупнее самцов, одинаковой окраски.

Вес самцов - 0,4-1,0 кг, самок - 0,6-1,3 кг, длина - 50-65 см, крыло самцов - 33,7-37,3 см, самок - 34,8-37,9 см, размах - 114-137 см.

Молодые в сером пуху, окончательно теряющемся к октябрю. Более светлые на верхней части спины и голове, чем взрослые, с более светлым лицевым диском и темными и широкими продольными пестринами на низе тела, значительно более густыми, чем у взрослых. На маховых и отчасти рулевых есть охристый или рыжий налет. Рулевые и второстепенные маховые с заостренными вершинами. Все махи и рули равномерно обношены (у взрослых обношенность маховых и рулевых разная).

Пуховики в первом наряде белые с охристым оттенком на спине, в мезоптиле - светло-серые рябые, с охристым оттенком. Вокруг глаз округлые сероватые пятна, более темные чем голова и шея, за счет густых сероватых пестрин, но не черные, как у бородатой неясыти. Расположены в виде очков сливающихся в районе клюва (не разделены на два круглых пятна валиками из белых перьев у клюва, как у серой неясыти). Сплошное обрамление окологлазничных пятен узкой полосой белого пух, как у серой неясыти, отсутствует, видны лишь косые белые бровки над клювом. Окраска головы и груди однотонная.

Полет легкий, бесшумный, с плавными взмахами крыльев, очень маневренный. Сквозь густую крону может пролететь очень быстро, резко поворачиваясь в воздухе, при этом, не задев ни одну ветку. Днем сидит на ветвях у ствола. Подпускает к себе на довольно близкое расстояние. При приближении человека слетает с ветки, как бы падает и быстро удаляется в лес, очень маневренно огибая густые ветви деревьев. Взрослые птицы отличаются от филина серой окраской и меньшими размерами, от молодой белой совы - продольными пестринами низа, круглой головой с четким лицевым диском, черными глазами, бородатой неясыти - меньшими размерами, более светлыми тонами, более длинными крыльями и хвостом, легким маневренным полетом, при близком рассмотрении окраской лицевого диска и черными глазами, от серой неясыти - большими размерами, более длинными крылом и хвостом, более светлой окраской, при близком рассмотрении - желтым клювом (у серой неясыти клюв серый), отсутствием 2-х рябых светлых продольных полос по более темному верху головы, характером пестрин на нижней стороне тела (крупные продольные пестрины как бы перечеркнуты поперек более тонкими) и их большей интенсивностью. Молодые от таковых филина отличаются серой окраской и черными глазами, от молодых бородатых неясытей- черными глазами. Птенцы в мезоптиле от таковых бородатой неясыти отличаются отсутствием черных пятен вокруг глаз, черной окраской глаз и одноцветным серовато-желтым или белесым клювом, от серой неясыти - более крупными размерами при одинаковом развитии, характером окраски лицевого диска, однотонной окраской головы и груди и отсутствием интенсивной рыжеватости в окраске пуха.

Токовые сигналы самца - глухие, монотонно повторяющиеся через 1-5 минут, трехсложные крики (в отличие от односложного "ууугу" у филина) "угу ……ух-угугу" или "угу……уху-угугу", в которых между первым односложным и вторым двухсложным слогами пауза - 4-40 секунд, причем первый звук "угу" в крике короткий и отрывистый, непохож на более протяжный и глухой крик филина. При сильном возбуждении самец издает трель из 4-7 слогов, чаще 5-7 слогов "ух-ух-ух-ух-ух". Самка отвечает такими же, как самец, но более низкими и хриплыми криками, иногда напоминающими тихий рев, произносит высокое "листья-веу" или резко "вякает" "кьии". Крик беспокойства - двухсложный, редко трехсложный или односложный лай "хав-хав", "хав" или "хав-хав-хав", хриплое "ххек". При беспокойстве также как все совы щелкает клювом. Птенцы в раннем возрасте издают отрывистый писк "псих", "псии" или "фсии", в более позднем он становится более звонким "клии" или "кьии" и напоминает крик самки.

Длиннохвостая неясыть - типичный лесной вид. Населяет любые лесонасаждения от степной зоны до северной тайги, лишь бы они были достаточно крупные. В последнее время стала гнездиться даже в небольших березовых колках лесостепного Зауралья.

В степной зоне все же тяготеет к крупным островным и ленточным борам. В лесостепи становится обычной уже в лиственных островных лесах. В лесной зоне населяет практически все облесенные территории, вплоть до посадок 40-летнего возраста, с довольно высокой плотностью.

Излюбленными гнездовыми биотопами длиннохвостой неясыти являются густые, сильно захламленные, часто пойменные леса. Этим критериям на севере соответсвуют еловые, елово-пихтовые, елово-мелколиственные и сосново-еловые леса, часто увлажненные, водораздельные или пойменные с мозаикой небольших открытых пространств, на юге - широколиственные и хвойно-широколиственные, часто пойменные леса, обычно с доминированием сосны и дуба в древостое и с густым подростом из липы и клена, часто захламленные со стелющейся липой и высокотравьем. На юге Западной Сибири с максимальной численностью гнездится в обширных заболоченных березняках. В средней тайге, особенно в Сибири минимальная численность наблюдается в сфагновых борах среди болот, где вид конкурирует с филином и бородатой неясытью и находится в менее оптимальных условиях.

Гнезда длиннохвостая неясыть устраивает в самых разнообразных местах. Обычно в естественных дуплах тополей и постройках ястребиных (тетеревятника и канюка), расположенных на доминирующих в местности породах деревьев (сосне, березе, ели, листвиннице, дубе и т.п.). Часто гнездится в широких развилах стволов старых лиственных деревьев (дуб, тополь), на обломышах тополей, берез, пихт и лиственниц, поваленных полусгнивших деревьях, выворотнях, метлах. Известны случаи гнездования на уступах облесенных скальных обнажений по берегам небольших рек, на колодах и в гоголятнях.

Высота расположения гнезд варьирует от 2 до 19 м, составляя в среднем 10 м.

Яйца совы откладывают прямо на поверхность дупла или гнездовой постройки, даже не раскапывая ямки.

В кладке 2-4 яйца белого цвета эллипсовидной формы. Размер яиц: 48,0-55,0х38,5-45,0 мм, в среднем 50,10х42,05 мм.

Самка на гнезде сидит плотно, близко подпуская человека, обычно прижимается к лотку, а не высовывает голову, как бородатая неясыть. При попытке влезть на гнездо слетает, летает кругами, окрикивает, щелкает клювом, пытается атаковать, часто налетая и ударяя грудью или лапами. Атаки прекращаются обычно после того, как исследователь поднимается на гнездо (чтобы птицы не поранили во время осмотра гнезд, следует привязывать к спине крупную ветку, накидывать плотный авизент или же держать сову постоянно в поле зрения).

Расстояние между гнездами разных пар в плотных группировках варьирует от 100 м до 1,5 км, составляя обычно 0,5-1 км, в менее насыщенных местообитаниях неясыти гнездятся в 1,5-4 км пара от пары, в среднем в 2,5 км. В субоптимальных местообитаниях расстояние между гнездами разных пар варьирует от 4 до 10 км.

Погадки длиннохвостой неясыти двух различных типов. Погадки первого типа округлой или бочонкообразной формы (или комкообразной), с двумя округлыми концами, плотные, серо-коричневого, иногда с желтоватым оттенком, цвета. Шерсть грызунов и перья птиц в таких погадках свалены, как бы комьями в один общий валик (иногда погадки из перьев имеют один хвостик). Размер погадок: 4,5-5,0х2,5-3,2 см. Такие погадки формируются в результате поедания одной крупной добычи (белка, крыса, рябчик) и содержат практически полный ее скелет. Погадки второго типа фасолевидные, темно-серого или светлого черноватого цвета. Плотные с двумя округлыми концами, комковидной структурой, характерной для этой птицы. Размер погадок: 7,0-9,0х2,8-3,2 см. В таких погадках содержатся остатки нескольких мелких мышевидных грызунов.

Места обнаружения погадок - деревья в глубине леса на гнездовом участке, крайние приопушечные или одиночно стоящие среди небольшого открытого пространства.

В зимний период можно встретить следы длиннохвостой неясыти на снегу. Следы встречаются практически исключительно в лесу. Размер отпечатка лапы: 9,0-10,0х5,0-5,7 см, длина внутреннего пальца - 4,5-5,5 см, длина среднего пальца - 4,5-5,3 см, длина наружного пальца - 3,5 см, длина заднего пальца - 2-2,5 см. Шаг около 10 см. Отпечатки лап строго К-образной формы.

Наиболее оптимальным способом выявления и учета этого вида является провоцирование голосовой активности самцов и самок на гнездовых участках. Длиннохвостая неясыть одна из самых агрессивных сов, поэтому на токовые сигналы нарушителя, а иногда и других видов (серой неясыти, сыча мохноногого Aegolius funereus), реагирует незамедлительно и довольно бурно. Птиц можно подманить непосредственно к месту ночной стоянки, если она находится в пределах гнездового участка, а в местах плотного гнездования сов, собрать вокруг стоянки до 4-7 территориальных самцов, или даже пар (после вылета птенцов).

Поиск гнезд лучше всего осуществлять после локализации территорий по вокализации стационарных птиц в ночное время. Можно вести его параллельно изучению ястребиных, методично осматривая в дневное время старые гнезда канюка и тетеревятника. Последний способ дает хорошие результаты лишь до тех пор, пока гнезда не скроются листвой, и станут очень плохо заметными.

Также как и осмотр гнезд ястребиных можно вести осмотр дуплистых тополей в поймах. О возможности заселения дупла неясытью могут достаточно красноречиво говорить пуховые перья, часто висящие на краях сломов или просто зацепившись в трещинах коры (их хорошо видно с земли в бинокль). Обычно из дупла неясыть вылетает, если поскрести по дереву. Этот способ, также как и предыдущий, достаточно трудоемок, поэтому его следует применять лишь для выявления конкретных гнезд, а учет птиц вести по вокализации. Как правило, расхождения данных многодневных площадочных учетов гнезд и учетов птиц по вокализации с использованием фонограммы сопоставимы, но в последнем случае времени тратится в десятки раз меньше. К тому же первым способом устанавливается лишь гнездовая плотность птиц, вторым выявляются все особи, включая неразмножающихся.