El tiburón linterna enano parece alcanzar una longitud máxima de unos 20 cm (hembra). Tiene una cabeza larga, ancha y aplanada que comprende entre una cuarta y una quinta parte de su longitud total. Los ojos son grandes, dos veces más largos que altos, con los ángulos anterior y posterior agudos. Las narices son grandes y están precedidas por colgajos de piel poco desarrollados. Hay 25-32 filas de dientes en la mandíbula superior y 30-34 filas de dientes en la mandíbula inferior. Los dientes superiores de los machos adultos tienen una sola cúspide flanqueada por dos pares de cúspides más pequeñas, mientras que los dientes superiores de las hembras son más robustos y sólo tienen un par de cúspides laterales que flanquean la cúspide central. Los dientes inferiores tienen cada uno una única cúspide fuertemente oblicua, y sus bases están entrelazadas para formar una superficie de corte continua. En el interior de la boca y en los bordes de los arcos branquiales hay papilas dispersas y escasas. Los cinco pares de hendiduras branquiales son pequeños.
El tronco es corto, con dos aletas dorsales grandes y relativamente espaciadas que llevan espinas acanaladas delante. La primera aleta dorsal se origina sobre los márgenes de salida de las aletas pectorales. La segunda aleta dorsal tiene el doble de superficie que la primera y es más grande que las aletas pectorales o pélvicas, y se origina sobre el extremo de las bases de las aletas pélvicas. No hay aleta anal. La aleta caudal es baja, con un lóbulo inferior moderado y una muesca ventral cerca de la punta del lóbulo superior. La piel está densamente cubierta por delgados dentículos dérmicos en forma de aguja en un patrón aleatorio, excepto en los labios y las puntas de las aletas. Este tiburón es de color marrón oscuro con un llamativo y distintivo patrón de marcas negras en su superficie ventral, una línea negra fina, continua o discontinua, a lo largo de la mitad de su espalda (pero sin una banda blanca como en el similar tiburón linterna del Caribe), una banda negra en el extremo de su aleta caudal y una mancha oscura en el lóbulo inferior de la aleta caudal. Curiosamente, algunas de las marcas negras ventrales están compuestas por fotóforos que producen luz, mientras que otras (incluida la mancha detrás de las aletas pélvicas) están compuestas por cromatóforos que contienen pigmentos. El individuo más grande conocido mide 21,2 cm (8,3 pulgadas) de largo.