Les pelycosaures étaient généralement caractérisés par un corps robuste avec des membres relativement courts. Certains membres de ce groupe, comme le  Dimetrodon, étaient de grande taille, atteignant plusieurs mètres de long. Un trait distinctif de certains Pelycosaures (ici encore le Dimetrodon, pa exemple), était la présence d'un voile dorsal, une structure osseuse en forme de voile qui s'étendait le long de leur dos. Ce voile était probablement utilisé à des fins de thermorégulation ou d'affichage visuel, plutôt que pour le vol comme chez les Ptérosaures.

Beaucoup de Pelycosaures possédaient des dents spécialisées adaptées à leur régime alimentaire. Certaines espèces étaient carnivores, avec des dents tranchantes pour déchirer la chair, tandis que d'autres étaient herbivores, avec des dents plates pour broyer les végétaux.

L'ordre des Pelycosauria est traditionnellement divisé en plusieurs familles et genres. Ainsi les Caseidae (genres Casea et Cotylorhynchus), les Edaphosauridae (Edaphosaurus) et les Sphenacodontidae (Dimetrodon et Sphenacodon).