Os ictiossauros mediam entre 2 a 3 metros de comprimento (mas podiam atingir 15 m), tinham um focinho longo e afilado e barbatanas caudais e dorsais tal como os peixes. Apesar disto, estes animais eram répteis, e semelhanças com os peixes resultam supostamente, de acordo com a teoria da evolução, de evolução convergente de estruturas análogas. Os ictiossauros eram animais carnívoros e alimentavam-se preferencialmente de cefalópodes mesozóicos como as belemnites e amonites. O estudo da anatomia do olho destes animais sugere que alguns géneros de ictiossauro, nomeadamente o Ophthalmosaurus, possam ter sido mergulhadores de profundidade, como o cachalote hoje em dia. São bastante parecidos com os golfinhos, mas não possuem ligações com estes, que são mamíferos. Provavelmente foram répteis que voltaram à água. Eram vivíparos e tal como os golfinhos os seus filhos nasciam de cauda.

Os primeiros ictiossauros surgiram no início do período Triássico e lembravam mais lagartos com nadadeiras do que golfinhos ou peixes. Estes proto-ictiossauros muito primitivos, agora classificados como ictiopterigios ao invés de ictiossauros deram origem aos verdadeiros ictiossauros algum momento no final do Triássico inferior ou início Triássico Médio. Como os dinossauros, ictiossauros e seus contemporâneos plesiossauros sobreviveram ao evento de extinção do final do Triássico, e logo diversificaram-se para preencher os nichos ecológicos vagos do Jurássico Inferior.