La característica más llamativa de todas las especies de tiburones martillo es la particular forma de la cabeza en forma de T, con los ojos y los orificios nasales situados en los extremos de la cabeza, gracias a lo cual el movimiento de cabeza de lado a lado al nadar recorre con la vista todo a su alrededor e incluso lo que queda a sus espaldas.

​

Las aletas pectorales se localizan detrás de las branquias, y la aleta caudal tienen la punta negra. Casi toda la parte dorsal es gris o café, pero se vuelve blanca cerca de la parte ventral. Al igual que la mayoría de los tiburones, el tiburón martillo presenta contracoloración, es decir, un color oscuro en el lomo y uno claro en el vientre. Visto desde abajo, el tiburón martillo se confunde con el brillo de las aguas de la superficie; visto desde arriba, se confunde con el fondo marino oscuro. La contracoloración es un tipo de mimetismo que permite al tiburón sorprender a sus presas.

​

El tamaño medio de un adulto es de entre 3,7 m y 4 m, aunque el tamaño máximo registrado es 6,1 metros de longitud y casi media tonelada de peso.

Los machos al alcanzar la madurez miden entre 2,3 y 2,7 m, y alcanzan al menos los 3,4 m. Las hembras al alcanzar la madurez miden entre 2,5 y 3 m, y llegan a alcanzar entre 4,8 y 5,5 m.