海牛目動物相當適應水中生活，牠們有流線形的身體，沒有後肢與背鰭，身上毛髮稀疏，前肢呈槳狀便於游泳。儒艮科與海牛科的體型相似，由尾部可明顯分辨兩者：海牛科的尾巴寬大而略呈圓形，儒艮科則為V形尾，近似於海豚的尾鰭。

海牛目有厚而可移動的嘴脣，表面覆有濃密的短毛，可抓取海草送進口中。牠們演化出特殊的牙齒替換系統，以因應食用多纖維食物造成的牙齒磨損。海牛僅具臼齒，更新方式不是一顆掉了後再重新長出新牙，而是整列牙齒由顎的末端水平地往前移動，當牙齒移動至顎的最前端時，牙根會逐漸被吸收終至脫落，跟象的牙齒結構有點像。儒艮的上下顎各有三對臼齒與前臼齒，隨著年齡增長，牠們的前臼齒與第一對臼齒會脫落，剩餘的臼齒則會終生生長。雄性有兩顆大型門齒，在青春期時會突出嘴邊，但當嘴巴閉上時會被嘴脣蓋住。沒有外耳殼，只在頭部兩側各有1個很小的耳孔；2個鼻孔皆位於吻部的頂端，潛水時會被皮膜掩蓋。雌性有1對乳房，乳頭位於前肢基部處。

牠們的肺很大，是浮力的主要來源；橫膈膜的位置相當特殊，不像人類般與肩膀平行，而是大致與背、腹部平行，推測可能與浮力的調節有關。骨架非常厚重，尤其是肋骨，除了有鉛垂般幫助下潛的功能外，對於鯊魚等天敵的衝撞也有一定的抵禦能力。皮膚相當厚，體內儲存有許多脂肪，但脂肪厚度通常不及鯨類的鯨脂。

雄性海牛目動物沒有外露的生殖器，隱藏於腹部中段；雌性生殖器接近肛門，在尾柄前方。懷孕期一般約1年以上，1胎僅產1子。