海牛被認爲於6千萬年前由陸地上的哺乳四足動物進化而來，與其親緣關係比較近的有長鼻目的大象以及蹄兔目的蹄兔。
據考證，海牛原是陸地上的“居民”，是大象的遠親。近億年前，由於大自然的變遷或缺乏御牧能力而被迫下海謀生。進入海洋後，依舊保持食草的習性，已有兩千五百萬年的海洋生存史，是珍稀海洋哺乳動物。
其龐大的身軀和厚厚的面板（3-4釐米）色澤酷似大象。 海牛的的體型很大，成年約3-4米長（雌性海牛通常比雄性體型更大），無背鰭，後肢退化消失演化爲寬大成槳狀的尾鰭。沒有門齒和犬齒，僅具有臼齒，牙齒的替換方式是由口腔深處往前水平地移動，而且換齒的過程持續終生，在同一時間段內，上頜或下頜內的牙齒一般不會超過6顆。有可伸縮的上脣，可以用於含住食物，也有與同類通訊和社交的作用。
海牛的面板厚重，不具汗腺，前肢基部處各有1個乳頭。肺很大，是浮力的主要來源。與馬相似，海牛的胃結構簡單，但有一個很大的盲腸以消化粗糙的植物類食物，通常消化道總長度可達45米，遠遠大於其它同等體積的哺乳動物。
海牛皮下儲存大量脂肪，能在海水中保持體溫前肢特化呈槳狀鰭肢，沒有後肢，但仍保留着一個退化的骨盆有一個大而多肉的扁平尾鰭胚胎期有毛，初生的幼獸尚有稀疏的短毛，至成體則軀幹基本無毛，僅嘴脣周圍有須，頭部有觸毛頭大而圓，脣大，由於短頸，頭能靈活地活動，便於取食鼻孔的位置在吻部的上方，適於在水面呼吸，鼻孔有瓣膜，潛水時封住鼻孔腸的長度超過20米胃分兩室，賁門室有腺狀囊，幽門室有1對盲囊眼小，視覺不佳聽覺良好。肺窄而長，無肺小葉頭骨大，但顱室較小，腦不發達。
海牛與同屬於海牛目的另一科儒艮科動物儒艮在外觀上很相近，它們之間的不同點在於尾部的形狀：海牛的尾部扁平略呈圓形，外觀類似大型單片的船槳而儒艮的尾部則是中央分岔的，和鯨相類似。
