Busto de tamaño natural en el que aparece representado Carlos V con el Toisón de Oro colgado al cuello sobre la armadura, cuyos elementos ornamentales están esculpidos con gran detalle; se minimiza un tanto el defecto físico del prognatismo del Emperador, aunque se le muestra con labios algo temblorosos. Lleva una coraza de peto redondo, adornada con hojas, rayada de listas verticales y ceñida hasta el cuello, con ristre en el costado derecho. Tanto los guardabrazos como las arandelas están decoradas con flores de lis. El Toisón de Oro pende de un cordón, aunque también esta esculpido el collar, de donde debería colgar realmente. La armadura moderna que luce Carlos V, conocida con el nombre de "armadura de volutas flordelisadas", fue labrada por Kolman Helmschmid, armero de Ausgburgo, hacia 1521. Con esta armadura estaba retratado el Emperador en el desaparecido cuadro que pinto Tiziano en Mantua en 1530, Carlos V con espada desenvainada, conocido gracias a dos copias de Rubens, de 1603 y 1628, y un grabado de Giovanni Brito, de hacia 1536.

Es posible que Montorsoli conociera la obra de Tiziano o el grabado de Brito -lo que explicaría que Carlos V aparezca en el busto más joven de lo que era en 1541- ya que son patentes las semejanzas en los rasgos faciales y en la disposición de los mechones del cabello y la barba. Las diferencias con la armadura pintada por Tiziano, indican que Montorsoli tuvo que conocer personalmente la del Emperador.

En el Museo Nazionale di San Martino de Nápoles se conserva otro retrato de Carlos V de Montorsoli, posiblemente el segundo de los mencionados por Vasari, aunque no se ha podido explicar como llegó a Nápoles. Su mayor calidad ha hecho suponer que el de Madrid sea una replica de este, aunque las grandes diferencias existentes en la decoración de la armadura  pueden indicar que el escultor pretendiera hacer dos bustos distintos a partir de un mismo modelo. Existe también otro retrato de Carlos V, también atribuido a Montorsoli, en Liverpool.