En tant que synapside, le Dimétrodon est plus étroitement lié aux mammifères vivants qu’aux reptiles, alors qu’il est souvent pris pour un dinosaure.
Certaines grandes espèces de Dimétrodon mesuraient entre 3 et 4 mètres et pouvaient peser jusqu’à 250 kg. (L’espèce Dimétrodon angelensis mesurait 4,60 mètres de long, ce qui en fait le plus grand représentant du genre).
Le dimétrodon possédait une immense voile dorsale, sa particularité la plus connue. Cette voilure lui permettait probablement de réguler sa température corporelle en réchauffant ou refroidissant son corps selon la manière dont il l’orientait par rapport au rayonnement solaire. Le Dimétrodon semblait se déplacer en se dandinant de droite à gauche à la manière des lézards actuels, faisant vibrer sa voilure. Cette voilure devait également sans doute jouer un rôle de séduction lors de la parade amoureuse ou un rôle d’intimidation entre rivaux lors de la période d’accouplement. Elle semblait aussi servir pour la défense, servant à prévenir ses congénères de l’arrivée prochaine d’un prédateur.
Le dimétrodon possédait également un immense crâne comportant deux séries de dents différentes (les dents de cisaillement et les dents canines pointues), précurseurs des 4 types de dents des mammifères.
Il est le premier vertébré terrestre à avoir développé des dents crénelées qui dominent chez les mammifères. Elles lui permettaient de mâcher sa nourriture avant de l’ingérer.
