En un análisis de evidencia total de caracteres moleculares (marcadores mitocondriales y nucleares) y no moleculares (caracteres morfológicos y de comportamiento de adultos y larvas) por de Sá et al. (2014), Leptodactylus pentadactylus es el taxón hermano de L. savagei y estrechamente relacionado con L. peritoaktites y L. myersi. Leptodactylus pentadactylus y L. knudseni han sido históricamente tratados como una sola especie, L. pentadactylus, hasta la clarificación taxonómica por Heyer (2005), donde reconoció dos especies simpátricas. En consecuencia, cualquier identificación, observación de historia natural u otros datos proporcionados antes de 2005 (e.g., Duellman, 1978; Almendáriz, 1987) deben ser abordados con cautela, ya que pueden pertenecer a una combinación de ambas especies.

Los machos no tienen hocico espatulado, y el pulgar típicamente carece de espinas, ocasionalmente teniendo una espina moderada; además, los machos no tienen espinas pectorales. La franja clara en el labio superior está ausente; los pliegues dorsales están ausentes; los pliegues dorsolaterales usualmente son completos, extendiéndose desde el ojo hasta la ingle, completos desde el ojo hasta el sacro, o interrumpidos entre el sacro y la ingle; los pliegues laterales están ausentes. El muslo posterior carece de una franja clara; la parte superior de la pantorrilla está barrada; los dedos carecen de flecos laterales flexibles; los dedos pueden tener quillas no flexibles.

Esta descripción se basa en individuos en Estadio 36 de la Reserva Florestal Adolpho Ducke, Manaus, Estado Amazonas, Brasil. El cuerpo es ovoide y ligeramente comprimido en vista lateral y ovoide en vista dorsal. El cuerpo comprende el 23.8% de la longitud total. El hocico es redondeado en vistas lateral y dorsal. Los ojos son pequeños, dirigidos dorsolateralmente. Las narinas son pequeñas, redondeadas, posicionadas dorsolateralmente. El espiráculo es único, siniestro, lateroventral, dirigido posteriormente, con la abertura debajo del nivel medio del cuerpo; es visible en vista dorsal. El tubo ventral es ancho, medial, fusionado a la aleta ventral y abriéndose posteriormente. La cola es larga, about 76.2% de la longitud total. La altura máxima de la cola es dos veces mayor que la altura del músculo caudal. El músculo caudal es robusto, más alto que las aletas dorsal y ventral a lo largo de los dos tercios anteriores de la cola. La aleta dorsal se origina en la unión cola-cuerpo, aumentando gradualmente por un tercio de la longitud de la cola y disminuyendo gradualmente después de eso hacia el extremo distal. La aleta ventral, que se origina en el término ventral posterior del cuerpo, está ligeramente arqueada y mantiene la misma altura a lo largo de los dos tercios proximales de la cola, disminuyendo gradualmente hacia el extremo distal. El disco oral es terminal, 3.0 mm de ancho; las papilas marginales son uniseriadas, con un espacio en el labio anterior; las papilas submarginales están ausentes. Las papilas marginales del labio anterior son mayores que aquellas en el labio posterior. La fórmula de hileras de dientes labiales es 1/2(1). La hilera P-1 está ligeramente interrumpida medialmente, y la hilera P-2 es más corta que las otras. La funda córnea superior es ancha, en forma de arco; la funda córnea inferior es ancha, en forma de V; ambas finamente aserradas. En vida, el color del cuerpo y la cola es gris oscuro, el vientre es plateado, y las aletas son translúcidas; los intestinos son visibles a través de la piel.