Le requin-lanterne nain semble atteindre une longueur maximale d’environ 20 cm (7,9 in) (femelle). Il possède une tête longue, large et aplatie comprenant un quart à un cinquième de sa longueur totale. Les yeux sont grands, deux fois plus longs que hauts, avec les coins antérieurs et postérieurs aigus. Les narines sont grandes et précédées de lambeaux de peau peu développés. Il y a 25-32 rangées de dents dans la mâchoire supérieure et 30-34 rangées de dents dans la mâchoire inférieure. Les dents supérieures des mâles adultes ont une seule cuspide flanquée de deux paires de cuspides plus petites, tandis que les dents supérieures des femelles sont plus robustes et n’ont qu’une paire de cuspides latérales flanquant la cuspide centrale. Les dents inférieures ont chacune une seule cuspide fortement oblique, et leurs bases sont imbriquées pour former une surface de coupe continue. Des papilles éparses et peu nombreuses se trouvent à l’intérieur de la bouche et sur les bords des arcs branchiaux. Les cinq paires de fentes branchiales sont petites.
Le tronc est court, avec deux grandes nageoires dorsales relativement rapprochées, portant des épines striées à l’avant. La première nageoire dorsale prend naissance sur les marges arrière des nageoires pectorales. La deuxième nageoire dorsale a deux fois la surface de la première et est plus grande que les nageoires pectorales ou pelviennes, et prend naissance sur l’extrémité des bases des nageoires pelviennes. Il n’y a pas de nageoire anale. La nageoire caudale est basse, avec un lobe inférieur modéré et une encoche ventrale près de l’extrémité du lobe supérieur. La peau est densément recouverte de minces denticules dermiques en forme d’aiguille, disposés de façon aléatoire, à l’exception des lèvres et de l’extrémité des nageoires. Ce requin est brun foncé avec un motif frappant et distinctif de marques noires sur sa surface ventrale, une fine ligne noire continue ou discontinue le long du milieu de son dos (mais sans bande blanche comme chez le requin-lanterne des Caraïbes), une bande noire à l’extrémité de sa nageoire caudale, et une tache sombre sur le lobe inférieur de sa nageoire caudale. Curieusement, certaines des marques noires ventrales sont composées de photophores produisant de la lumière, tandis que d’autres (y compris la tache derrière les nageoires pelviennes) sont composées de chromatophores contenant des pigments. Le plus grand individu connu mesure 21,2 cm (8,3 in) de long.