Взрослые самцы и самки (в сезон размножения) окрашены одинаково.
Верх головы, шеи, спины и третьестепенных маховых четырехцветный: основания перьев на половину или на 2/3 длины темно-серые; далее (от основания) по бокам темных стержней расположены крупные рыжеватые пятна, сильно вытянутые на длинных перьях; вершинную часть каждого пера занимает крупное округлой формы черное пятно, окаймленное узкой беловатой полоской. Общий рисунок верха получается черно-пятнистым на общем рыжеватом (или охристо-рыжеватом) фоне. (Серые основания прикрыты выше расположенными перьями, а беловатые вершинные каемки выступают не резко.) Верх поясницы, надхвостье, верхние кроющие хвоста и средние рулевые — серовато-черные.
Средняя пара рулевых широкая с заостренной вершиной; внутренние опахала их темнее, чем внешние, а те и другие оторочены узкой светлой каемкой. Остальные рулевые с округленными вершинами и охристо-серыми опахалами до крайней пары включительно. Узкие внешние опахала маховых черноватые; широкие внутренние — буровато-серые; стержни от основания и почти до самой вершины белые. От клюва над глазом до затылка проходит узкая беловатая полоска. Нижняя сторона, включая подмышечные, нижние кроющие крыла и подхвостье, белые. На зобе, груди и боках темносерые пятна треугольной формы — редкие на боках и сгущенные в области зоба и нижней половины шеи. На светлом горле едва заметные мелкие серые пятнышки. Примеси рыжеватых тонов на всей нижней стороне тела нет.
Размеры самца: длина 155; хвост 41; крыло 94; размах 295 мм. Размеры самок (3): длина 160, 165, 166; хвост 40, 47, 42; крыло 97, 98, 100; размах 308, 302, 306 мм. Вес самца 29,8 г; двух самок — 29,5 и 31,3 г.
Клюв перепончатопалого песочника (особенно самок) значительно длиннее и массивнее, чем у мелких песочников рода Calidris (=Erolia). Длина надклювья у самок (от края оперения лба до кончика): 25, 26, 29 мм, у самца — 22 мм. Высота клюва у основания: 5,2; 5,6; 5,3 мм у самок и 5,00 мм — у самца. Конец надклювья у взрослых заметно расширен, уплощен, имеет шероховатую поверхность и отчетливо выраженный срединный желобок. Концевая треть клюва слегка отогнута вниз. Окраска клюва черная.
Длина плюсны у самок 22,5—24 мм, у самца 21 мм. Длина среднего пальца (без когтя) 17,5—19 мм. Все три обращенных вперед пальца связаны хорошо развитыми перепонками, срединный выгиб которых находится на уровне конца первой фаланги, а места прикрепления тянутся до конца вторых фаланг, оставляя свободными только третьи фаланги. Окраска ног черная. У пуховика перепонки тянутся почти до середины длины пальцев и кажутся даже относительно более широкими, чем у взрослых особей.