Os beija-flor são aves de pequeno porte, que medem em média 6 a 12 cm de comprimento e pesam 2 a 6 gramas. A maior espécie conhecida é o beija-flor-gigante da Patagónia, que, mesmo assim é de tamanho diminuto em comparação com outras aves, com 19 a 21 gramas de peso. O bico é normalmente longo, mas o formato preciso varia bastante com a espécie e está adaptado ao formato da flor que constitui a base da alimentação de cada tipo de beija-flor. Uma característica comum é a língua bifurcada e extensível, usada para extrair o néctar das flores.
O esqueleto e constituição muscular dos beija-flor estão adaptados de forma a permitir um voo rápido e extremamente ágil. São as únicas aves capazes de voar em marcha-atrás e de permanecer imóveis no ar. O batimento das asas é muito rápido e as espécies menores podem bater as asas 70 a 80 vezes por segundo. Consequentemente, o batimento do coração é também muito acelerado, podendo atingir 1000 batimentos por minuto. Em contraste, as patas dos beija-flor são pequenas demais para a ave caminhar sobre o solo.
O grupo apresenta dimorfismo sexual. As fémeas são em geral maiores que os machos, mas apresentam coloração menos colorida e iridiscente. Os machos podem ter penas ornamentais que estão sempre ausentes nas fémeas.
O beija-flor é tão leve que se pode empoleirar numa simples folha de relva. Os seus ovos são do tamanho de uma ervilha média. A ninhada inteira cabe dentro de uma colher de chá.
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