Мелкая (меньше воробья), скромно окрашенная, подвижная и крикливая птица типичного синичьего облика с контрастной черной шапочкой и большой белой щекой. Длина тела 11–12 см, масса 8–15 г. На большей части Европы ареал пухляка перекрывается с ареалом чрезвычайно похожей на него черноголовой гаички, достоверно отличить их друг от друга бывает нелегко.
Самец и самка окрашены одинаково. Верх тела буровато-серый, низ более светлый, практически белый с легким охристым оттенком на боках груди и брюха. Крылья и хвост практически одного цвета со спиной, чуть темнее. На наружных опахалах второстепенных и третьестепенных маховых перьев развиты беловатые каемки, которые на сложенном крыле образуют узкое светлое поле. Весь верх головы до линии уздечки и глаз образует контрастную черную шапочку, которая, постепенно сужаясь, простирается до спины, из-за чего голова кажется непропорционально большой. Бока головы ниже шапочки чисто-белые, резко контрастирующие с шапочкой. Под клювом большое черное пятно со слегка размытой нижней границей. Клюв черный, края надклювья серые. Глаз черный, лапы голубовато-серые.
Молодые похожи на взрослых, но окраска верха у них более серая, шапочка более тусклая, буровато-черная, щеки с заметным охристым налетом, пятно на горле бледное, буроватое. Низ тела белее, с заметным охристым налетом на боках и подхвостье. Клюв буроватый, с желтыми краями надклювья и подклювья.
При значительном сходстве с черноголовой гаичкой отличается рядом признаков, не всегда заметных в полевых условиях. Пухляк выглядит более головастым и короткохвостым, шапочка у пухляка матово-черная, без блеска и далеко заходит на спину. У черноголовой гаички шапочка блестяще-черная и практически не заходит на спину. Пятно под клювом у пухляка гораздо крупнее, скорее треугольной, чем округлой формы. Общий тон окраски у пухляка более серый, менее буроватый, светлые «щеки» занимают относительно большую площадь, чем у гаички, они чисто-белые, практически без охристого налета. Наиболее заметный отличительный признак пухляка — светлые каемки второстепенных маховых перьев, которые образуют на темном крыле контрастное светлое поле.
В северной части своего ареала пухляк встречается совместно с сероголовой гаичкой, иногда даже гибридизирует с ней. Отличается от нее более мелкими размерами, наличием контрастно-черной, а не серовато-коричневой шапочки, не столь большим горловым пятном и гораздо меньшим развитием охристого цвета на боках.
У пухляка он более тонкий, тихий и однообразный, чем у черноголовой гаички. Наиболее характерная позывка — комбинация двух коротких свистов со звуками «чжжэ…»: «цси-цси…чжжэ-чжжэ-чжжэ». Издает также сухие трели «чррррр…», отдельные короткие высокие свисты «сии…», «сип…» или «цит…». Жужжащее позывки «чжээ-чжээ…» или «чарр-чарр…» у пухляка более тихие, мягкие, выше тоном. Песня пухляка — небольшая серия повторяющихся односложных свистов «ти-ти-ти-ти…» или «сип-сип-сип…», реже свисты бывают двусложными «тиу-тиу-тиу…». Поют у пухляков в основном самцы, самки очень редко.