Không giống như loài cá voi ngày nay, Basilosaurus có vây giống mái chèo tương tự như vây của loài hải cẩu và chiếc đuôi dài.
Một con Basilosaurus trưởng thành có chiều dài trung bình từ 12 đến 20 m.
Sở dĩ người ta gọi loài vật này là Basilosaurus (tiếng Latin có nghĩa là vua của loài bò sát) là bởi các thợ săn tìm thấy hóa thạch sinh vật này ở bang Louisiana, Mỹ vào năm 1832 lầm tưởng nó với một loài khủng long mới.
Phần quai hàm dài cùng với bộ răng sắc nhọn trên hóa thạch cũng khiến nhiều người lầm tưởng đây là một loài bò sát cổ đại.
Hình dáng thực sự của Basilosaurus vẫn là một bí ẩn cho tới tháng 6/2015 khi các nhà khảo cổ học phát hiện bộ hóa thạch loại cá voi này tại Thung lũng Wadi Al-Hitan ở Wadi al-Hitan, Ai Cập.
Theo đó, người ta nhận thấy rằng đặc điểm nổi bật nhất của Basilosaurus là người chúng rất thanh mảnh. Ngược lại với các loài động vật biển khác, Basilosaurus chuyển động linh hoạt giống như lươn ngày nay.
Basilosaurus đã tiến hóa cho cơ thể thuôn dài giống như rắn biển giúp nó có thể bơi nhanh hơn. Hộp sọ của loài cá voi này hẹp, nhỏ so với cơ thể chứng tỏ nó có lực cắn mạnh.
Phần cơ bắp bám ở xương sống của Basilosaurus yếu trong khi xương sống của nó rỗng và chứa chất lỏng cho thấy sinh vật này không phải là loài lặn sâu hay bơi nhanh trong khoảng thời gian dài nhưng vẫn có thể di chuyển với tốc độ bất ngờ để tấn công con mồi.
