De kleine vos heeft een voorvleugellengte van 22 tot 25 millimeter.
De basiskleur van de bovenkant van de vleugels is oranje. Langs de voorrand van de voorvleugel loopt een band van afwisselend gele en zwarte vlekken, die bij de vleugelpunt wordt afgesloten met een witte vlek. Ook in het middenveld bevinden zich nog een zwarte vlek geflankeerd door een gele vlek en twee zwarte stippen. De vleugelbasis van de achtervleugel is zwartbruin. Bij de voorrand van de vleugel loopt het oranje over in geel. Langs de vleugelranden loopt een rand met aan de binnenkant opvallende blauwe maanvormige vlekjes die zwartomrand zijn. De franje is geblokt. Zowel de voorvleugel als de achtervleugel heeft een meestal onopvallend uitstulpinkje.
De kleurstelling van de kleine vos is vermoedelijk een voorbeeld van aposematische kleuring, die predatoren afschrikt. Onderzoek met het voeren van kleine vossen aan de koolmees heeft laten zien dat deze terughoudend is in het eten van de kleine vos, en deze terughoudendheid is groter bij gevleugelde dan ontvleugelde exemplaren.
De onderzijde van de achtervleugel is donkerbruin met een wittige soms licht oranje band. Op de voovleugel zijn de vlekken langs de voorrand te herkennen, en is de kleur ook wittig of soms licht oranje met donkerbruin.
De kleine vos kan verward worden met de grote vos, die echter flink groter is. Op de voorvleugels van de grote vos ontbreken blauwe maantjes, en in het middenveld van de voorvleugel zijn vier zwarte vlekjes te vinden, in plaats van drie bij de kleine vos. Daarbij moet worden opgemerkt dat de grote vos veel minder vaak wordt waargenomen. Enerzijds door een meer verborgen leefwijze, anderzijds doordat hij zeldzamer is.