海牛外形呈纺锤形，颇似小鲸，但有短颈，与鲸不同。海洋哺乳动物，形状略像鲸，前肢像鳍，后肢已退化，尾巴圆形，全身光滑无毛皮厚，灰黑色，有很深的皱纹，以海藻或其他水生植物为食。

海牛被认为于6千万年前由陆地上的哺乳四足动物进化而来，与其亲缘关系比较近的有长鼻目的大象以及蹄兔目的蹄兔。

近亿年前，由于大自然的变迁或缺乏御牧能力而被迫下海谋生。进入海洋后，依旧保持食草的习性，已有两千五百万年的海洋生存史，是珍稀海洋哺乳动物。

没有门齿和犬齿，仅具有臼齿，牙齿的替换方式是由口腔深处往前水平地移动，而且换齿的过程持续终生，在同一时间段内，上颌或下颌内的牙齿一般不会超过6颗。有可伸缩的上唇，可以用于含住食物，也有与同类通讯和社交的作用。

海牛的皮肤厚重，不具汗腺，前肢基部处各有1个乳头。肺很大，是浮力的主要来源。与马相似，海牛的胃结构简单，但有一个很大的盲肠以消化粗糙的植物类食物，通常消化道总长度可达45米，远远大于其它同等体积的哺乳动物。