根据斯特拉的记录，大海牛身长约 7.5 公尺，体重 4500～5900kg，可长到 10.7 公尺长。

大海牛的前肢粗壮但短钝，呈桨状，尾巴的外型与儒艮相似。斯特拉对它们的描述：“这种动物从来不接近沙滩，一直栖息在水里，皮肤又黑又厚，犹如橡树皮，按身体各部分的比例，其头部小。没有牙齿，嘴里只有两片又平又白的骨头，一块在上颌，一块在下颌。”除了不具牙齿以外，大海牛的另一项特点在于前肢末端仅有腕骨与掌骨，趾骨退化至几乎完全消失，这点与海牛或儒艮不同。尽管耳孔不过豌豆大小，但有相当发达的内耳结构。它们的视力不太好，要靠耳朵听世界。