古巨龟的身体呈椭圆形，肋骨已经成为支撑大型身体的一部分。与棱皮龟一样，古巨龟的身上覆盖着坚硬的革质盔甲，而非乌龟的硬壳。古巨龟的背后长有一个细而短的尾巴，四肢则早已进化成用于游泳的鳍状肢，其前面的一对鳍状肢巨大，后面则相对较小，体重可以达到2吨多。
世界上第一个古巨龟的化石是在1895年被发现的，这具化石非常著名，一方面是因为它十分巨大，另一方面是因为它缺少了右后足，是古生物学家维兰德博士在美国南达科他州境内的皮埃尔泥岩层发现的，经过研究，维兰德在第二年的1896年建立了古巨龟属，意思是统治者海龟。古巨龟的模式种名为Archelon ischyros。今天这具古巨龟的化石依然被保存在耶鲁大学的皮博迪博物馆内。
虽然古巨龟的体型十分巨大，但是别忘了，在远古时代都是大型动物的天下，尽管拥有坚硬的外壳也不能代表古巨龟就是绝对安全的，更何况在海洋世界里还有很多巨大而凶猛的掠食者，古巨龟的天敌就包括了15米的海王龙和7米长的白垩刺甲鲨，它们都会攻击古巨龟最脆弱的没有外壳保护的鳍状肢。从古巨龟的骨骼看，在其身体下方有大片的骨板进行了加强，有可能它们的祖先经常受到来自下方的攻击，因此进化出了这种防御结构。