El Mesosaurus fue uno de los primeros reptiles en volver al agua después de que los primeros tetrápodos llegaran a la tierra en el Devónico tardío.
Medía alrededor de 1 metro de longitud, tenía los pies palmeados, un cuerpo aerodinámico y una larga cola que podría haber soportado una aleta. Probablemente se impulsaba en el agua con sus largas patas traseras y su cola flexible. Su cuerpo también era flexible y podía desplazarse fácilmente hacia los lados, pero tenía las costillas muy engrosadas, lo que le habría impedido torcer el cuerpo. Los especímenes muestran que era vivíparo y que tenía crías vivas.
El Mesosaurus tenía un cráneo pequeño con mandíbulas largas. Las fosas nasales estaban situadas en la parte superior, lo que permitía a la criatura respirar con sólo la parte superior de su cabeza rompiendo la superficie. Sus dientes eran adecuados para capturar pequeñas presas nectónicas, como los crustáceos.