Los colimbos grandes son del tamaño de un ganso, tienen un pico largo, recto y puntiagudo de color negruzco azulado, patas cortas palmeadas y situadas en posición trasera, y la cola corta. Su plumaje es principalmente negro en las partes superiores y blanco en las inferiores, con la cabeza y cuello negros, salvo una banda listada a modo de collar. En la época reproductiva ambos sexos presentan un denso moteado blanco en la parte superior del cuerpo, mientras que en invierno su plumaje se hace más discreto, pardo negruzco en las partes superiores y blanco en las inferiores, incluidas la garganta y parte frontal de cuello. Son grandes nadadores y buceadores que se alimentan de peces.
El colimbo grande adulto mide entre 61 y 100 cm de largo, y tiene una envergadura alar de entre 122 y 152 cm, y su peso puede variar entre los 1,6 y 8 kg. De media el colimbo grande mide 81 cm de largo, y su envergadura alar es de 136 cm, y pesa unos 4,1 kg, siendo siendo ligeramente menor que el colimbo de Adams.
Los adultos en plumaje reproductivo tienen la cabeza y el cuello negros, salvo una banda listada a modo de collar a media altura del cuello. Sus partes superiores son negras con un denso moteado blanco a modo de damero, mientras que sus partes inferiores son blancas. Su plumaje no reproductivo es pardo negruzco en las partes superiores y blanco en las partes inferiores, incluidas la garganta y la parte frontal del cuello. Su pico es recto y de color azul negruzco. El pico lo distingue del colimbo de Adams, que lo tiene amarillento y ligeramente curvado hacia arriba.El colimbo grande es la especie tipo del género Gavia, el único género del orden Gaviiformes, donde se clasifica a todos los demás colimbos. Los colimbos son aves acuáticas de mayor tamaño que un pato, con plumajes en las partes superiores con patrones de color negro moteados en blanco, y en las inferiores blanco, aunque algunos de sus miembros tienen la cabeza y el cuello grises. Los colimbos nadan con el cuerpo semisumergido. Tienen las patas cortas situadas muy atrás y con dedos palmeados, lo que les convierte en grandes buceadores, pero les hace torpes en tierra. Sus picos son rectos y puntiagudos.
El colimbo ártico fue descrito científicamente por el zoólogo danés Morten Thrane Brünnich en 1764, con el nombre de Colymbus immer. Hasta el siglo XX estuvo clasificado, como el resto de su familia, junto los somormujos en el orden Colymbiformes. Cuando se invalidó el género Colymbus y se separaron a los somormujos y los colimbos en dos órdenes, se trasladó al género Gavia, propuesto por Johann Reinhold Forster en 1788, como único género integrante de la familia Gaviidae y del orden Gaviiformes. Se no se reconocen subespecies de colimbo grande.nSu pariente más cercano es otra especie de colimbo de gran tamaño y cabeza negra, el colimbo de Adams (Gavia adamsii).
El nombre del género, Gavia, es un término latino que designaba a un ave marina sin identificar. El nombre específico, immer, deriva de los nombres germánicos septentrionales de esta ave como el islandés «Himbrimi». El término está relacionado con los suecos «immer» y «emmer», que designan a las cenizas grises o negruzcas, en referencia a su plumaje oscuro; o a los latinos «immergo» (sumergir) y «immersus» (sumergido). La palabra española «colimbo» procede del griego κόλυμβος (kólymbos) que significa «buceador».9 El apelativo de grande de su nombre común hace referencia a que es el colimbo de mayor tamaño de las tres especies que pasan el invierno en España.
El colimbo grande es un piscívoro especialista que atrapa a sus presas buceando, llegando a profundidades de 60 m. y puede permanecer sumergido hasta 3 minutos. Entre los peces de agua dulce que consume se encuentran lucios, percas, centrárquidos, truchas y lobinas; y entre los peces de agua salada consume gallinetas, platijas, reos y sardinas.
Estas aves necesitan correr distancias largas para ganar impulso al despegar y realizan aterrizajes torpes. Esta torpeza en tierra se debe a la posición trasera que ocupan sus patas, ideales para bucear, pero no para caminar. Cuando aterrizan en el agua suelen hacerlo sobre el vientre, en lugar de las patas, y así pierden velocidad deslizándose sobre el agua. Los colimbos nadan con agilidad en la superficie, bucean ayudadas de sus patas y alas, y vuelan cientos de kilómetros durante la migración. Vuelan con el cuello estirado, generalmente emitiendo una particular llamada trémola que puede usarse para identificar a los colimbos grandes en vuelo. Su velocidad de vuelo alcanza los 120 km/h durante la migración.
