Cladoselache vertoonde een combinatie van afgeleide en voorouderlijke kenmerken. De soort had dezelfde anatomische kenmerken als de huidige makreelhaaien van de familie Lamnidae als gevolg van overeenkomsten in ecologie.
hij had een gestroomlijnd lichaam, van vijf tot zeven kieuwspleten, en een korte, afgeronde snuit met een terminale mondopening aan de voorzijde van de schedel. Hij had een zeer zwak kaakgewricht vergeleken met hedendaagse haaien, maar het compenseerde dat met zeer sterke kaaksluitende spieren. De tanden waren multi-cusped en glad-edged, waardoor ze geschikt zijn om te grijpen, maar niet scheuren of kauwen. Cladoselache greep daarom waarschijnlijk de prooi bij de staart en slikte hem in zijn geheel door.
de stevige maar lichte vindorens bestonden uit dentine en email. Cladoselache had ook een bladachtige structuur die voor de rugvinnen werd geplaatst. Deze anatomische kenmerken maakten zwemmen gemakkelijker en sneller.In tegenstelling tot de meeste moderne haaien was Cladoselache vrijwel geheel verstoken van schubben, met uitzondering van kleine schubben op de randen van de vinnen, de bek en rond de ogen. Het had ook krachtige kielen die zich uitstrekten over de zijkant van de staartsteel en een half-lunate staartvin, met de superieure kwab ongeveer dezelfde grootte als de inferieure. Deze combinatie hielp met zijn snelheid en behendigheid die nuttig was bij het proberen om zijn waarschijnlijke roofdier, de zwaar gepantserde 6 meter lange Placoderm vis Dunkleosteus te overtreffen.