En été, la pipistrelle de Nathusius possède un pelage allant du roux au brun châtain. Après la mue en juillet ou en août, elle obtient un pelage brun foncé, souvent avec des pointes grises. Le dessous est brun clair à brun jaunâtre. La queue, les oreilles et les ailes sont de couleur brun noir. Elle a des oreilles courtes et triangulaires avec un sommet arrondi. Les ailes sont plus larges et plus longues que celles de la pipistrelle commune. La longueur tête-corps est de 46 à 58 millimètres, l'envergure de 220 à 250 millimètres et le poids de 6 à 151⁄2 grammes.