Plesiosaurus est un membre typique de son ordre, il mesurait de 3 à 5 mètres de longueur totale. Son museau était court, mais sa bouche pouvait beaucoup s’ouvrir et sa mâchoire se composait d’une série de dents coniques, comme celles des gavials. Le cou était long et mince mais il semble qu’il ait été plutôt raide à cause de ses vertèbres qui finissaient en grossissant, ce qui indique qu’il ne pouvait pas plier son cou comme les cygnes actuels contrairement à ce que les vieilles représentations présentaient. Les autres vertèbres sont similaires et sont fermement liées et il n’y a pas de sacrum. Les côtes n’ont qu’une tête et au milieu du tronc, entre les appuis des membres, elles rencontrent un plastron dense de côtes abdominales. La queue était courte et droite.