Plesiosaurus was een zwemmend reptiel met een lengte tot ongeveer drieënhalve meter. Het dier had een kleine kop aan een lange, dunne nek. Opvallend is dat zijn nek waarschijnlijk niet erg buigzaam was. De romp was relatief groot en breed. Alle vier de ledematen deden dienst als een soort peddels, waarmee hij zwom zoals hedendaagse zeeschildpadden. Plesiosaurus had een relatief korte staart, die waarschijnlijk niet bijdroeg aan de voortstuwing door het water. De scherpe, puntige tanden in de bek waren geschikt om te jagen op onder andere vis en belemnieten.