从头部看，分水刺的吻部尖细，口裂较小且位于腹面，便于在水底沙石中觅食。眼睛侧位，瞳孔呈长椭圆形，虹膜为深褐色，能在浑浊水域中清晰观察周围动静。鳃盖边缘光滑，没有明显的锯齿，但鳃膜上分布着细密的血管，呈淡红色，增加氧气吸收效率。
最引人目的是它背部的特殊结构——3至5根尖锐的棘刺。这些棘刺从头部后方的背鳍起点开始排列，间隔约2至3厘米，长度从前端的3厘米逐渐增长到中部的5厘米，末端略向后弯曲，质地坚硬如角质，表面光滑鳞。棘刺根部与脊椎骨相连，受肌肉控制可灵活开合，既是防御天敌的武器，也是“分水”功能的核心部件。
分水刺的体表覆盖着细小的圆鳞，背部呈暗褐色或青灰色，鳞片上散布着不规则的黑色斑点，从背部向两侧逐渐变浅；体侧为银灰色，并带有一条隐约的蓝色纵带，从鳃盖后缘延伸至尾柄；腹部则是银白色或乳黄色，斑点，与水面反射光融合，形成上下方向的保护色。侧线发达，从鳃盖后缘直达尾鳍基部，侧线鳞上有微小的感觉孔，能感知水流速度和方向变化。
它的鳍也呈现出特化形态：胸鳍宽大，呈扇形，鳍条柔软且富有弹性，主要用于控制转向和保持平衡；腹鳍位置靠前，贴近胸鳍下方，呈尖刀状，协助稳定身体；背鳍分为前后两部分，前部由棘刺构成，后部为软鳍条，边缘呈波浪状；臀鳍与背鳍后部相对，形状相似；尾鳍深叉形，上下叶对称且边缘薄锐，摆动时能产生强大的推进力，让它在水中快速冲刺。
当分水刺游动时，背部的棘刺会随身体摆动微微张开，将迎面而来的水流向两侧分流，减少湍流对躯干的冲击，同时体表的黏液层进一步降低摩擦，使它既能在平缓水域悠然巡游，也能在湍急溪涧中灵活穿梭。这种将形态与功能美结合的外形，正是它得名“分水刺”的原因。