C'est une grenouille de taille moyenne qui pèse environ 8 grammes et se développe à 3,0-4,5 cm de longueur. Les femelles sont plus grandes de environ un demi-centimètre de plus que les mâles, mais leurs orteils sont plus grands. La grenouille a une durée de vie typique de cinq à sept ans dans la nature. Sa peau bleu vif, généralement plus sombre autour de ses membres et de l'estomac, sert d'avertissement aux prédateurs. Les glandes d'alcaloïdes toxiques situés dans la peau servent de mécanisme de défense pour les prédateurs potentiels. Ces poisons paralysent et parfois tuent le prédateur. Les taches noires sont uniques à chaque grenouille, permettant aux individus d'être identifié. Cette espèce de grenouille a une posture bossu distinctif.
Chaque pied contient quatre doigts, qui ont chacun une pointe aplatie avec un tampon à ventouse utilisée pour la préhension. Les bouts des orteils chez les femelles sont ronds, tandis que les mâles ont des pointes en forme de cœur.
Comme presque tous les grenouilles, Les têtards sont très différents en apparence que les adultes. Ils ont une longue queue, à environ 6 mm, avec une longueur totale d'environ 10 mm. Il leur manque les jambes et les branchies et ont à la place des poumons.

Ces minuscules batraciens, de 2 à 7 cm, aux couleurs éclatantes sont si colorés qu’on les nomme également « grenouilles peintes ». 
Certaines tribus d’Amazonie les appellent « grenouilles à flèches ». Leur peau renferme un poison extrêmement violent que les chasseurs recueillent pour en enduire leurs flèches. Ce poison est 250 fois plus puissant que le curare. Ils le collectent goutte à goutte en maintenant la grenouille au-dessus du feu puis le laissent mariner avant d’y tremper les pointes de leurs armes. La substance toxique, la batrachotoxine, est sécrétée par des glandes de leur peau. Une espèce est particulièrement toxique: Phyllobates terribilis qui secrète assez de poison pour tuer 10 hommes.

La batrachotoxine et la recherche médicale

La grenouille ne produit pas cette toxine naturellement. Une récente étude a démontré que ce poison provient de certains insectes que les batraciens ingèrent. Si un dendrobate est placé dans un environnement artificiel, sa peau perd peu à peu cette arme défensive.