Cladoselache zeigte eine Kombination von abgeleiteten und angestammten Eigenschaften. Es hatte anatomische Merkmale ähnlich wie die aktuellen Makrelenhaie der Familie Lamnidae aufgrund von Ähnlichkeiten in der Ökologie.
Es hatte einen stromlinienförmigen Körper, fünf bis sieben Kiemenschlitze und eine kurze, abgerundete Schnauze mit einer endständigen Mundöffnung an der Vorderseite des Schädels. Es hatte ein sehr schwaches Kiefergelenk im Vergleich zu modernen Haien, aber es kompensierte das mit sehr starken kieferschließenden Muskeln. Seine Zähne waren mehrfach gezähnt und glattkantig, so dass sie zum Greifen, aber nicht zum Reißen oder Kauen geeignet waren. Cladoselache ergriff daher wahrscheinlich Beute am Schwanz und schluckte sie ganz.
Seine robusten, aber leichten Flossenstacheln bestanden aus Dentin und Schmelz. Cladoselache hatte auch eine klingenartige Struktur, die vor den Rückenflossen positioniert war. Diese anatomischen Merkmale machten das Schwimmen einfacher und schneller.
Im Gegensatz zu den meisten modernen Haien war Cladoselache fast völlig frei von Schuppen mit Ausnahme von kleinen Höckerschuppen an den Rändern der Flossen, des Mundes und um die Augen. Es hatte auch kräftige Kiele, die sich auf die Seite des Schwanzstiels erstreckten, und eine halbmondförmige Schwanzflosse, wobei der obere Lappen ungefähr so groß war wie der untere. Diese Kombination half mit seiner Geschwindigkeit und Beweglichkeit, die nützlich war, als er versuchte, seinen wahrscheinlichen Räuber, den schwer gepanzerten 6 Meter (20 ft) langen Placoderm-Fisch Dunkleosteus, auszuschwimmen.