De dwerglantaarnhaai wordt maximaal zo’n 20 cm lang (vrouwtje). Hij heeft een lange, brede, afgeplatte kop die een vierde tot een vijfde van zijn totale lengte beslaat. De ogen zijn groot, twee keer zo lang als hoog, met de voorste en achterste ooghoeken scherp. De neusgaten zijn groot en worden voorafgegaan door slecht ontwikkelde huidflappen. Er zijn 25-32 tandenrijen in de bovenkaak en 30-34 tandenrijen in de onderkaak. De boventanden van volwassen mannetjes hebben een enkele tandkrans geflankeerd door twee paar kleinere tandkransen, terwijl de boventanden van vrouwtjes robuuster zijn en slechts één paar laterale tandkransen hebben die de centrale tandkrans flankeren. De ondertanden hebben elk een enkele, sterk schuine tandkus, en hun bases zijn in elkaar gevlochten om een doorlopend snijvlak te vormen. In de bek en op de randen van de kieuwbogen bevinden zich verspreide, schaarse papillen. De vijf paar kieuwspleten zijn klein.
De romp is kort, met twee betrekkelijk dicht bij elkaar staande, grote rugvinnen met aan de voorzijde gegroefde stekels. De eerste rugvin ontspringt over de achterranden van de borstvinnen. De tweede rugvin is twee keer zo groot als de eerste, is groter dan de borst- en buikvinnen en ontspringt over het uiteinde van de bases van de buikvinnen. Er is geen anale vin. De staartvin is laag, met een matige onderlob en een ventrale inkeping nabij de punt van de bovenlob. De huid is dicht bedekt met dunne, naaldachtige dentikels in een willekeurig patroon, met uitzondering van de lippen en de uiteinden van de vinnen. Deze haai is donkerbruin met een opvallend en kenmerkend patroon van zwarte tekening op zijn buikzijde, een ononderbroken of onderbroken, fijne zwarte lijn langs het midden van zijn rug (maar zonder witte band zoals bij de soortgelijke Caribische lantaarnhaai), een zwarte band op het uiteinde van zijn staartvin, en een donkere vlek op zijn onderste staartvinlob. Vreemd genoeg bestaan sommige van de ventrale zwarte markeringen uit lichtproducerende fotoforen, terwijl andere (met inbegrip van de vlek achter de buikvinnen) zijn samengesteld uit pigmentbevattende chromatoforen. Het grootst bekende individu is 21,2 cm lang.