De lichaamslengte van de grijze boomkikker varieert van 3 tot 6 centimeter, mannetjes blijven wat kleiner en bereiken maximaal 5 cm.De kleur is grijs tot bruingrijs met een donkerder landkaart-achtige tekening op de rug met enkele lijnen eromheen en een witte buik, vlak onder het oog zit een duidelijk lichter vlekje, vooral bij de mannetjes is deze te zien. De kleur is echter veranderlijk zoals bij de meeste boomkikkers, groen en donkerbruin komen ook voor. De binnenzijde van de dijen is meestal geel en soms roodgekleurd om vijanden af te schrikken. Deze zien dan onverwachts een felle kleur als de kikker wegspringt, wat sommige predatoren even in verwarring brengt. Hieraan danken ze ook de naam, want versicolor betekent 'meerdere kleuren', en rijmt dan ook niet met de Nederlandse (en Engelse) naam. Er zijn aanwijzingen dat de grijze boomkikker oorspronkelijk een variatie was van een andere soort; Dryophytes chrysoscelis. Kruisingen tussen de verschillende soorten lijken ook sprekend op elkaar en zijn nauwelijks uit elkaar te houden. Ondanks het verspreidingsgebied, dat een grote overlap kent, zeldzaam. Beide soorten hebben een wat pad-achtig uiterlijk door de ruwe huid en grijsbruine kleur, maar allebei bezitten ze ook grote hechtschijven die padden niet hebben.