蛇颈龙的外形像一条蛇穿过一个乌龟壳，头小，颈长，躯干像乌龟，尾巴短，头虽然偏小，但口很大，口内长有很多细长的锥形牙齿，许多种类的身体非常庞大，长达11～15米，个别种类达18米，四肢特化为适于划水的肉质鳍脚，可根据它们颈部的长短分为长颈型蛇颈龙和短颈型蛇颈龙两类。
长颈型蛇颈龙主要生活在海洋中，脖子极度伸长，活像一条蛇，身体宽扁，鳍脚犹如四支很大的划船的桨，长颈伸缩自如，可以攫取相当远处的食物。短颈型蛇颈龙又叫上龙类，脖子较短，身体粗壮，有长长的嘴，所以头部较大，鳍脚大而有力，适于游泳。
蛇颈龙的繁殖方式与多数爬行动物产卵孵化不同，而是卵胎生。马歇尔大学副教授罗宾·奥基夫等人对1987年发现、保存在洛杉矶县自然历史博物馆的一具蛇颈龙化石进行了分析。他们发现化石是一个腹中带着幼仔的雌性蛇颈龙，腹中幼仔体型较大，有近1.5米长，骨骼相对完整，不大可能是被大蛇颈龙吃下肚子的，这表明蛇颈龙是直接生出幼仔，不像多数爬行动物那样产卵然后孵育后代，这种生育方式被称为卵胎生，而且蛇颈龙不像其他爬行动物那样一次产下多个后代，而是生育单个的大体型后裔。
蛇颈龙在水中的推力是由前肢体像企鹅一样拍打水面所形成，在模拟中这种爬行动物的后肢被固定不动，却仍然游得相当好，但是如果没有前肢，则它们非常难产生有效的动作。正因为这种区别，蛇颈龙的前肢和后肢是否同步移动变得并不重要，后肢有可能是用来调整方向和稳定身体，而不是产生推力。