Sångsvanen är ungefär lika stor som knölsvanen med en längd på mellan 140 till 160 centimeter och ett vingspann på 205 till 235 centimeter. Trots detta framstår den som smäckrare än knölsvanen. Den håller oftare halsen rak till skillnad från knölsvanens ibland s-formade halsföring. Den triangelformade näbben, som är längre än knölsvanens, fortsätter ut från den sluttande hjässan och ger huvudet ett mycket spetsigt utseende. När den simmar håller den stjärten, som är kortare än knölsvanens, nedsänkt horisontellt mot vattenytan.
Den adulta sångsvanen ter sig än vitare än knölsvanen och näbben är mot näbbroten klart gult medan näbbspetsen och nederdelen av näbben är svart. Det gula når nedanför näsborren. Den har ett större gult fält på näbben än vad mindre sångsvan (Cygnus columbianus) har.
De juvenila fåglarnas fjäderdräkt är gråbrunvita och näbben är svart och vitgul med ett lite anstrykning av rosa. Den anlägger vit fjäderdräkt under sommaren av dess första levnadsår eller tidigt på våren under dess andra levnadsår. Den isländska populationen vitnar oftare tidigare än den fenoskandiska populationen.
Den kan utstöta ett högt, trumpetande läte, i grupper om tre eller fyra toner när den flyger. Ljudet från vingarna är ett tystlåtet svischande till skillnad från knölsvanens kraftiga sjungande vingslagsljud.
För hybrider: se knölsvan
Sångsvanen häckar i arktiska regioner av Eurasien från Island i väster till Kina i öster. Den är en flyttfågel och flyttar till öppna vatten i östra Asien, södra Skandinavien och nordvästra Europa. Delar av population som lever på Island övervintrar i Storbritannien och på Irland medan den västra populationen är stannfåglar, precis som en mindre population i norra Norge.
Islands population har historiskt ibland behandlats som en egen underart vilken beskrevs första gången 1831 som C. C. islandicus av Brehm. Även trumpetarsvanen har tidvis behandlats som underart till sångsvanen.
Den häckar i mindre vatten på tundra, på myrar och mossar och i mindre sjöar ofta långt upp i norr. Den har dock under de senaste decennierna återtagit den utbredning i Skandinavien som den hade förra seklet, det vill säga att den idag häckar ända ner till Skåne. Den finns till och med som häckfågel så långt söderut som på några få platser i Polen.
Boet är ofta oerhört stort, speciellt på höjden, och det består av växtdelar som mest tas från sjöbotten. Den normala häckningstiden är i maj och juni men det förekommer att den börjar redan i mitten av april. Honan lägger 4 till 7 smörfärgade ägg och ruvar i cirka 30 till 36 dygn. Ungarna lämnar boet efter bara några dygn men stannar hos föräldrarna oftast minst två månader eller ibland fram till föräldrarnas nästa häckning.
Födan består av olika vattenväxter som den betar från sjöbotten.
Sångsvanen är Finlands nationalfågel och återfinns på finska 1 euromyntet. Den är även Norrbottens landskapsfågel.